DE1126589B

DE1126589B - Verfahren und Vorrichtung zum Vakuumverformen von Folien in Blatt- oder Bahnform aus thermoplastischem Kunststoff

Info

Publication number: DE1126589B
Application number: DET14382A
Authority: DE
Inventors: Alfons Thiel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1957-11-08
Filing date: 1957-11-08
Publication date: 1962-03-29
Also published as: FR1240799A; NL7010596A; NL7010597A; DE1136480B; NL240128A

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Vakuumverformen von Folien in Blatt- oder Bahnform aus thermoplastischem Kunststoff Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vakuumverformen von Folien in Blatt- oder Bahnform aus thermoplastischem Kunststoff mittels eines oberhalb des Blattes bzw. der Bahn angeordneten evakuierbaren Werkzeuges.
Zum Vakuumverformen thermoplastischer Folien und Platten ist die am meisten übliche bekannte Arbeitsweise das sogenannte Negativverfahren, bei welchem die zu verformende Folie oder Platte oberhalb des evakuierbaren Formwerkzeuges in einem Spannrahmen gehalten und bis zur Erreichung eines verformbaren Zustandes oberhalb der Form im allgemeinen durch Infrarotbestrahlung erhitzt wird. Nach Erreichen der Verformungstemperatur wird das Formwerkzeug invakuiert und dabei die Folie oder Platte in die Negativform eingezogen. An den kalten Wandungen des Werkzeuges erkaltet das so geformte plastische Material, wodurch es eine normale Festigkeit und Formstabilität wieder erhält.
Es ist auch bereits eine Arbeitsweise bekanntgeworden, die sich sowohl bei Negativformwerkzeugen als auch bei Positivformwerkzeugen anwenden läßt.
Hiernach ist eine zweiteilige Verformungsmascbine vorgesehen, deren einer Teil im wesentlichen aus einem an eine Saugleitung und eine Druckleitung angeschlossenen Kessel besteht, über dessen obere Öffnung die erwärmte zu verformende Folie gezogen wird. Über die Folie ist dann noch ein Kesseldeckel zu setzen, der ebenfalls wahlweise an eine Saugleitung oder eine Druckleitung anschließbar ist. Die bekannte Arbeitsweise zur Vakuumverformung besteht nun darin, daß die erwärmte Folie über die obere Kesselöffnung gezogen wird. Die eigentliche Erhitzung der Folie auf die Verformungstemperatur erfolgt dann aber erst durch Heizelemente, die über die obere Kesselöffnung und die Folie verfahrbar sind. Während des Erhitzens der Folie wird ein Unterdruck oder Überdruck in dem Kessel erzeugt und dadurch die Folie gespannt und gedehnt, bis sie etwa die Tiefe der gewünschten Verformung erreicht hat. Danach wird dann die Folie durch Umschalten von Druck auf Sog oder umgekehrt in das Formwerkzeug eingeschlagen.
Eine weitere bekannte Möglichkeit zum Verformen von Kunststoffolien besteht darin, daß eine solche Folie auf einen an der Rückseite abgedichteten Formrahmen gespannt wird, der an eine Druckluftleitung angeschlossen ist. Bei diesem Verfahren wird die in den Formrahmen eingespannte Folie zunächst mittels Infrarotstrahlen örtlich verschieden geheizt und aufgebläht. Diese örtlich verschieden beheizte und auf- geblähte Folie wird dann mit dem Formrahmen in die Negativform eingestoßen.
Bei allen diesen bekannten Arbeitsweisen sind aber zwei grundsätzliche Nachteile unvermeidbar: Der eine Nachteil besteht darin, daß beim Einbringen der erhitzten Folie in die Form zwangläufig Bereiche der Folienfläche vorzeitig mit der kalten Formoberfläche in Berührung kommen. Diese vorzeitig erkaltenden Folienbereiche ergeben dann im Werkstück Bereiche erhöhter Wandstärke. Das an solchen Bereichen erhöhter Wandstärke angesammelte Material fehlt aber grundsätzlich für andere Bereiche der Werkstückwandung, so daß insgesamt das Werkstück nicht die erforderliche Stabilität aufweist.
Der zweite grundsätzliche Nachteil der bekannten Verfahren und Vorrichtungen besteht darin, daß bisher sich die Kunststoffolie nur unter Beibehaltung einer beträchtlichen Eigenelastizität verarbeiten ließ.
Dies hat zur Folge, daß sämtliche bisher bekannten Tiefziehverfahren für Kunststoffolien mit einer Verformungstemperatur arbeiten mußten, die beträchtlich unterhalb des Fließgrenzbereiches des Kunststoffmaterials liegt.
Die nach dem bekannten Tiefziehverfahren hergestellten Werkstücke entsprechen deshalb nicht den Anforderungen an die Temperaturbeständigkeit, sondern verformen sich, sobald ihre Gebrauchstemperatur in den Bereich derjenigen Temperatur kommt, mit welcher die Folie verformt worden ist.
Durch die Erfindung werden diese beiden grundsätzlichen Nachteile vollständig behoben.
Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß die zu verformende Folie außerhalb des Formwerkzeuges so weit erhitzt wird, bis zufolge des Eigengewichts der Folie ein sackartiger Durchhang eintritt, daß die Folie in diesem Zustand unter das Verformungswerkzeug geführt wird und das Formwerkzeug und die Folie durch eine stoßartige senkrechte Relativbewegung unter Bildung eines Luftkissens zum luftdichten Abschluß des Formhohlraumes gegeneinander bewegt werden.
Die Erfindung geht dabei von der praktischen Erkenntnis aus, daß sich eine Kunststoffolie entgegen der bisherigen Befürchtungen auch dann noch in der vorgeschlagenen Weise sicher verformen läßt, wenn das vorherige Erhitzen bis in einen Temperaturbereich erfolgt in welchem die Folie ihre elastischen Eigenschaften praktisch völlig verliert.
Eine weitere der Erfindung zugrunde liegende überraschende Feststellung besteht darin, daß, ausgehend von einem natürlichen sackartigen Durchgang der Folie und einem zwischen der Folie und dem oberhalb ihr angeordneten Formwerkzeug gebildeten Luftkissen, durch das anschließende Evakuieren des Formwerkzeuges die Folie so schnell aus dem natürlichen und durch das Luftkissen verstärkten Durchhang in die Negativform umschlägt, daß sie mit gleichmäßiger Wandstärke die Formhohlräume auslegt, bevor sie zonenweise erkalten, und dadurch an diesen frühzeitig erkalteten Zonen größere Wandstärke aufweisen kann. Diese überraschende Wirkung ist offenbar auf eine durch das Umschlagen aus den natürlichen Durchhang in die Negativform erzeugte Walkwirkung zurückzuführen, die der zu verformenden Folie noch die letzten elastischen Eigenschaften nimmt Während des Aufheizens in der Erhitzungszone kann die Folie zweckmäßig entlang ihrer Ränder gehalten werden. Hierdurch wird die Ausbildung des gewünschten sackartigen Durchhanges erleichtert.
Das Verfahren nach der Erfindung läßt sich mittels eines oberhalb der zu verformenden Folien angeordneten, heb- und senkbaren Vakuumformwerkzeuges durchführen, an dessen unteren Außenrand die zu verformende Folie luftdicht, gegebenenfalls mittels gesondeter Einrichtungen, angedrückt wird. Für die Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung eignet sich eine Vorrichtung solcher Art, bei der die Einrichtungen zum Erhitzen der Folie bezüglich der Wanderrichtung der Folie im wesentlichen ortsfest neben dem Arbeitsbereich des Formwerkzeuges angeordnet sind und in der im wesentlichen waagerechten Wanderrichtung der Folie eine unmittelbar vor dem Arbeitsbereich des Formwerkzeuges liegende Erhitzungszone bilden, während gegebenenfalls dem Formwerkzeug zugeordnete und unterhalb der Folie in dessen Wanderrichtung ortsfest angeordnete Andrückeinrichtungen gegen die im durchhängenden Zustand unter das Formwerkzeug geförderte Folie zumindest um den Betrag des gewünschten sackartigen Durchhanges der Folie absenkbar sind. Eine solche Vorrichtung nach der Erfindung macht es möglich, die durch den starken Erhitzungsgrad empfindliche Folie auf kürzestem und sicherstem Wege in den Arbeitsbereich des Formwerkzeuges zu bringen und die Vereinigung von Folie und Formwerkzeug in einer Weise durchzuführen, die jegliche Gefahr der Zerstörung der Folie ausschließt. Dabei bietet die Vorrichtung nach der Erfindung den Vorteil einer gegenüber allen bisherigen Vorrichtungen und Verfahren weitaus erhöhten Arbeitsgeschwindigkeit. Die vollständige end- gültige Erhitzung der Folie außerhalb des Arbeitsbereiches des Formwerkzeuges ermöglicht das gleichzeitige Erhitzen eines weiteren Folienabschnittes während der Verformung des ersten Abschnittes. Die Praxis hat gezeigt, daß die Erhitzung der Folie etwa die anderthalbfache Zeit wie der Formvorgang benötigt. Der Formvorgang kann somit bei der Vorrichtung nach der Erfindung vollständig und sorgfältig innerhalb der durch die Erhitzung der Folie gegebenen Zeit ausgeführt werden. Obwohl somit die Gesamtarbeitszeit gegenüber allen bisherigen Arbeitsweisen um mindestens 40 ovo vermindert ist, können die mit der Verformung der Folie in Zusammenhang stehenden Bewegungen und mechanischen Abläufe mit größter Sicherheit und Sorgfalt ausgeführt werden, ohne den Arbeitsrhythmus der Vorrichtung zu beeinflussen.
Weitere Kennzeichen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung an Hand der Zeichnung. Es zeigt Abb. 1 eine schematische Gesamtdarstellung über den Ablauf des Verfahrens nach der Erfindung, Abb. 2 eine schematische Teildarstellung des über die durchhängende Folie luftdicht aufgesetzten Formwerkzeuges und Abb. 3 eine schematische Teildarstellung der im Zusammenhang mit der Erfindung benutzten Fördervorrichtung für die zu verformende Folie.
Bei der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird eine Kunststoffolie 2 in Bahnform verarbeitet, die von einer Transportvorrichtung 12, 13 von einer Rolle 11 abgezogen und schrittweise durch eine Erhitzungszone 14 und sofort anschließend unter das Verformungswerkzeug 1 und nach dem Verformungsvorgang aus dessen Arbeitsbereich gefördert wird.
Wie Abb. 1 zeigt, erfolgt die Erhitzung der zu verarbeitenden Folie 2 außerhalb des Formwerkzeuges 1, bis die Folie 2 zufolge ihres Eigengewichtes sich sackartig durchhängt, wie dies in Abb. 1 im Bereich 14 angedeutet ist. Der Vorschub der Folie erfolgt mittels der Transporteinrichtung 12, 13 in Schritten, deren Länge der Erhitzungszone 14 zuzüglich eines schmalen Streifens 19 entspricht. Der sackartig durchhängende Teil der Folie 2 wird somit in diesem durchhängenden Zustand unter das Verformungswerkzeug 1 geführt, daß während des Folientransportes einmal zur Freigabe der geformten Werkstücke und zum anderen zum ungehindertenVorschub der Folie 2 angehoben ist. Die Gleitführung des Formwerkzeuges 1 zu einer senkrechten Anhebe-und stoßartigen Absenkbewegung ist durch das Lagerelement 24 angedeutet. Der waagerechte Vorschub der Folie 2 erfolgt so weit, daß der in Abb. 1 noch am linken Ende des Formwerkzeuges liegende noch kalte bzw. wieder erkaltete Folienstreifen 20 zum rechten Ende des Formwerkzeuges 1 gelangt, während der am linken Ende der Erhitzungszone 14 liegende noch kalte Folienstreifen 19 an die bisherige Stelle des Folienstreiofens 20 wandert, also mit einem Teil seiner Breite unter den Rand des Formwerkzeuges 1 gelangt. Die beiden festen Folienstreifen 19 und 20 bilden somit einen wirksamen Transportrahmen für den sackartig durchhängenden Teil der Folie 2. Außerdem wird durch die beiden Streifen 19 und 20 zugleich sichergestellt, daß die Dichtungselemente 4 des Formwerkzeuges 1, wie sie in Abb. 2 deutlicher gezeigt sind, mit festen, kalten Folienteilen in Berührung kommen, so daß ein sicherer. luftdichter Abschluß des Formhohlraumes 5 gewährleistet ist.
Wie insbesondere Abb. 2 deutlich zeigt. bildet sich bei der stoßartigen senkrechten Relativhewegung von Formwerkzeug 1 und Folie 2 zwischen diesen beiden ein Luftkissen, das jegliche vorzeitige Berührung der sackartig durchhängenden Folie 2 mit irgendeinem Teil der Formoberfläche verhindert. Weiterhin wird durch das Luftkissen jede Schwingungsbewegung innerhalb des sackartig durchhängenden Teiles der Folie 2 verhindert, die durch das Zusammenstoßen des Folienrandes mit dem Rand des Formwerkzcuges 1 hervorgerufen werden könnte. Es hat sich in der Praxis weiterhin herausgestellt, daß innerhalb des so gebildeten Luftkissens keine nennenswerte Luftströmungen eintreten, die eine örtliche Abkühlung des sackartig durchhängenden Teiles der Folie hervorrufen könnten. Irgendwelche unvermeidliche Wärmeabgabe des sackartig durchhängenden Teiles der Folie 2 an das Luftkissen erfolgt gleichmäßig über die gesamte in Frage stehende Folienoberfläche und hat, wie sich in der Praxis beobachten läßt, eine geringfügige Ausdehnung des Luftkissens zur Folge, wodurch eine zusätzliche Blähung, d. h. Erweiterung, des sackartig durchhängenden Teiles der Folie 2 als Vorbereitung zu der später zu beschreibenden Walkeinwirkung auf die Folie 2 eintritt.
Zur Sicherstellung des luftdichten Verschlusses zwischen der sackartig durchhängenden Folie 2 und dem Formwerkzeug 1 ist ein Spannrahmen 3 zweckmäßig der von unten her gegen den mit einem Dichtungselement 4 versehenen äußeren Rand des Formwerkzeuges 1 gedrückt wird. Wenn der Spannrahmen 3 stets im Arbeitsbereich des Formwerkzeuges l verbleibt. so muß er zumindest so weit absenkbar sein, daß er vollen Bewegungsbereich der sackartig durchhängenden Folie 2 freigibt, wie dies beispielsweise in Abb. 1 deutlicher gezeigt ist. Dort ist der Spannrahmen 21 an der Ausgangsseite des Formwerkzeuges 1 um eine sich quer zur Folienbahn 2 erstreckende Achse 22 nach unten so weit schwenkbar gelagert, daß der soeben aus der Erhitzungszone 14 kommende sackartig durchhängende Teil der Folie 2 ohne jegliche Gefahr einer Berührung mit dem Spannrahmen 21 unter das Formwerkzeug 1 geführt werden kann. Erst wenn der sackartig durchhängende Teil der Folie 2 seine Lage unterhalb des Formwerkzeuges 1 eingenommen hat und das Formwerkzeug 1 abgesenkt wird, wird auch der Spannrahmen 21 in seine in Abb. 1 gestrichelt dargestellte Arbeitseinstellung 23 gebracht.
Fiir den eigentlichen Verformungsvorgang wird das Formwerkzeug 1 über den Anschlußstutzen 6 und den Schlauch 25 evakuiert. Hierbei wird der sackartig durchhängende Teil der Folie 2 durch den äußeren Luftdruck entsprechend dem Abbau des zwischen der Folie 2 und dem Formwerkzeug bisher vorhandenen Luftkissens in das Formwerkzeug eingeschoben und dabei einer zusätzlichen Walkwirkung unterworfen, durch die die noch vorhandene restliche Eigenelastizität der Folie 2 beseitigt wird. Sobald sich der sackartig durchhängende Teil 2 der Folie in vorstehenden Teilen des Formwerkzeuges 1 nähert, baut sich dort ein Luftstau auf, so daß die eigentliche Vorschub- und Einschlagbewegung der Folie 2 in die Negativform an den vertieften Stellen des Formwerkzeuges 1 gegenüber den vorstehenden Stellen wesentlich beschleunigt wird.
Dieses örtliche Abbremsen und Beschleunigen der Eins^h a.7-)ewegung wird wesentlich dadurch unterstützt. dalS, wie die Abb. 1 und 2 zeigen, die Saugkanäle des Formwerkzeuges 1 im Boden der Formvertiefungeo münden. so daß sich beim Annähern der Folie an das Formwerkzeug dort Bereiche stärkeren Unterdruckes ausbilden.
Wie sich bei der Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung zeigt, ergibt sich aus alledem als Gesamtwirkung, daß die Folie 2 aus ihrem sackartigen Durchhang derart schnell und wirksam in das Formwerkzeug eingeschlagen wird, daß sie tatsächlich die gesamte Oberfläche des Formwerkzeuges in praktisch gleichbleibender Dicke belegt.
In dem dargestellten Beispiel enthält die Transporteinrichtung 2 endlose Kettenpaare 12 und 13, die die Folie 2 mittels seitlich an ihnen angebrachten Auslegern oder Nasen 15, 16 erfassen. Wie Abb. 3 zeigt, laufen die Ketten 12 und 13 in dem Förderbereich innerhalb von Führungselementen, die durch die Wirkung von Federn 17 und 18 die Ausleger oder Nasen 15 und 16 zusammendrücken und damit den Rand der Folie 2 zwischen diesen Auslegern bzw. Nasen 15 und 16 halten. Ein Herausgleiten des Folienrandes zwischen den Auslegern oder Nasen 15 und 16 kann dadurch leicht vermieden werden, daß die mit der Folie 2 in Berührung kommenden Oberfiächen der Ausleger oder Nasen 15 und 16 mit elastischem Material, beispielsweise Gummi od. dgl., belegt sind. Da die Ausleger oder Nasen 15 und 16 nur sehr wenig Eingriffstiefe in die Folie benötigen, werden durch die Transporteinrichtung keine nennenswerten Teile der Folie 2 der Verformung entzogen.
Wie bereits erwähnt, arbeitet die Transporteinrichtung mit einer durch die Erfindung geschaffenen Rahmung des durchhängenden Teiles der Folie zusammen, die durch die noch kalten bzw. wieder erkalteten Folienstreifen 19 und 20 gebildet wird. Um bei diesen Streifen 19 und 20 die erforderliche Festigkeit zu gewährleisten, können besondere Kühleinrichtungen vorgesehen sein. Da die in Fig. 1. gezeigte Lage des Streifens 20 bereits eine Kühlung durch das kalte Formwerkzeug vorsieht, ist eine besondere Kühleinrichtung, besonders an der in Abb. 1 gezeigten Lage des Streifens 19, empfehlenswert.
An die Verformungsvorrichtung nach der Erfindung kann eine Ausstanzeinrichtung unmittelbar angeschlossen werden, die im gleichen Arbeitstakt die in der Verformungsvorrichtung geformten Werkstücke aus der Folienbahn ausstanzt. Außerdem bietet die Erfindung die Möglichkeit des Beheizens der Folie mittels Infrarotstrahlen von oben und unten. Hierdurch läßt sich im Interesse des nach der Erfindung gewünschten sackartigen Durchhanges der Folie eine besonders gleichmäßige Temperaturverteilung über die gesamte Folienfläche ermöglichen. Außerdem wird die Heizzeit für die Folie auf die Hälfte herabgesetzt. so daß eine verhältnismäßig schnelle Arbeitsfolge möglich wird.

Claims

PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zum Vakuumverformen von Folien in Blatt- oder Bahnform aus thermoplastischem Kunststoff mittels eines oberhalb des Blattes bzw. der Bahn angeordneten evakuierbaren Werkzeuges, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verformende Folie außerhalb des Formwerkzeuges so weit erhitzt wird, bis zufolge des Eigengewichtes der Folie ein sackartiger Durchhang eintritt, und daß die Folie in diesem Zustand unter das Verformungswerkzeug geführt wird und das Formwerkzeug und die Folie durch eine stoßartige senkrechte Relativbewegung unter Bildung eines Luftkissens zum luftdichten Abschluß des Formhohlraumes gegeneinander bewegt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie während des Aufheizens in der Erhitzungszone entlang ihrer Ränder gehalten wird.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mittels eines oberhalb der zu verformenden Folie angeordneten, heb- und senkbaren Vakuum-Formwerkzeuges, an dessen unteren Außenrand die zu verformende Folie luftdicht, gegebenenfalls mittels gesonderter Einrichtungen, angedrückt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Erhitzen der Folie (2) bezüglich der Wanderrichtung der Folie (2) im wesentlichen ortsfest neben dem Arbeitsbereich des Formwerkzeuges (1) angeordnet sind und in der im wesentlichen waagerechtenWanderrichtung der Folie (2) eine unmittelbare vor dem Arbeitsbereich des Formwerkzeuges(1) liegende Erhitzungszone (14) bilden und daß gegebenenfalls dem Formwerkzeug (1) zugeordnete und unterhalb der Folie (2) in deren Wanderrichtung ortsfest angeordnete Andrückeinrichtungen (3, 21) gegenüber der Bewegungsbahn der im durchhängenden Zustand unter das Formwerkzeug (1) geförderten Folie (2) zumindest um den Betrag des gewünschten sackartigen Durchhanges der Folie (2) absenkbar sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente derart angeordnet sind, daß der bis zur Bildung eines sackartigen natürlichen Durchhanges erhitzte Abschnitt der Folie (2) zumindest an seinem vorderen und seinem hinteren Ende durch einen fest bleibenden Querstreifen (19, 20) der Folie (2) gerahmt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Heizzone (14) zusätzliche Einrichtungen zum Kühlen der fest bleibenden Folienstreifen (19, 20) angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Transport der Folie (2) schrittweise angetriebene endlose Kettenpaare(12, 13) vorgesehen sind, die außerhalb der Ketten (12, 13) liegende, zweckmäßig mit elastischem Stoff, wie Gummi od. dgl., belegte und durch Federn (17, 18) zusammengepreßte Drahtelemente (1S, 16) aufweisen.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die unter dem Formwerkzeug (1) angeordnete Andrückeinrichtung (3, 21) für die Folie (2) ein nach unten bewegbarer Spannrahmen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannrahmen (21) an seinem vorderen Teil um eine quer zur Wanderrichtung der Folie (2) liegende Achse (22) nach unten schwenkbar gelagert ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Französische Patentschriften Nr.1122016, 917813; Zeitschrift »Kunststoffe«, Heft 5/1955, S. 174 und 175.