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Verfahren und Vorrichtung zum Vakuumverformen von Folien in Blatt-
oder Bahnform aus thermoplastischem Kunststoff unter Anwendung eines Vorstreckganges
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 unter Anwendung
eines Vorstreckvorganges zu Schalen, Bechern, Töpfen, Schachteln usw.
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Es ist bereits ein derartiges Verfahren bekannt, bei welchem eine
zweiteilige Verformungsmaschine Anwendung findet. Diese Maschine besteht aus einem
Kessel, der umschaltbar an eine Druckluftleitung und eine Vakuumleitung angeschlossen
ist. Der zweite wesentliche Teil dieser Maschine ist der Kesseldeckel, der ebenfalls
umschaltbar an eine Druckluftleitung und eine Vakuumleitung angeschlossen ist. Das
Formwerkzeug wird hiernach entweder im Deckel oder dem Kessel angebracht.
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Zur Verformung wird zunächst die vorgeheizte Folie über den oberen
Kesselrand gespannt und dort, gegebenenfalls unter weiterem Erhitzen, einer Druck-oder
Saugwirkung im Kessel unterworfen, wobei sie unter Überwindung ihrer Eigenelastizität
vorgestreckt wird. Der eigentliche Formvorgang kann dann durch Umschalten von Saug-
auf Druckwirkung oder umgekehrt dadurch erfolgen, daß die vorgestreckte Folie in
das Formwerkzeug eingedrückt oder eingesaugt wird.
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Dieses Verfahren ist nicht geeignet, große Bechertiefen, d. h. größere
Tiefen als 0,4 bis 0,5 des oberen Durchmessers, zu erreichen, wobei sich die Verdünnung
an den Seitenwänden und am Boden schon so nachteilig bemerkbar macht, daß von Gleichmäßigkeit
der Wanddicke nicht mehr gesprochen werden kann. Um dem zu begegnen, muß man wiederum
dickere Ausgangsfolien einsetzen, wodurch der Artikel wohl technisch brauchbar,
aber durch die extrem dicke obere Formation zu schwer und damit unwirtschaftlich
wird.
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Bei einem weiteren bekannten Verformungsverfahren erfolgt der Vorstreckvorgang
mittels stempelartiger Streckwerkzeuge, die auf ihre volle Länge in den Formhohlraum
eingestoßen werden. Für den Formvorgang wird die erhitzte Folie zunächst über die
obere Öffnung des Formhohlraumes gespannt und von oben her das Streckwerkzeug eingestoßen.
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Hierbei legt sich zunächst das Stoßwerkzeug mit seiner Stirnfläche
auf die erhitzte Folie und drückt einen der Formöffnung entsprechenden Folienbereich
auf die obere Kante der Form. Von dieser Ausgangsstelle wird dann unter Kraftanwendung
und Uberwindung der Eigenelastizität der Folie der zwischen der Stirnfläche des
Streckwerkzeuges und dem Formrand
liegende Folienbereich mechanisch vorgestreckt,
wie dies bei Prägeformungen üblich ist. An dieses mechanische Vorstrecken schließt
sich bei diesem bekannten Verfahren der eigentliche Formvorgang in der Weise an,
daß Druckmittel durch das Vorstreckwerkzeug in das Innere des vorgestreckten Werkstückes
eingelassen wird, wodurch sich dessen Wandungen gegen die Oberfläche der Form legen.
Dieses Verfahren ist zwar in der Lage, tiefe Behälter zu formen, d. h. Ziehtiefen
zu erreichen, die das Verhältnis von Höhe zu Durchmesser 1:3 übersteigen. Die Gleichmäßigkeit
der Wanddicken ist jedoch nur zu drei Viertel der Gesamthöhe gegeben, und der obere
Becherrand ist im allgemeinen bei weitem dicker als im Mittel jener Teil der Gesamthöhe,
also der untere Teil des Bechers. Dies ist die Folge davon, daß während des Ziehvorganges
das warme Folienmaterial an dem oberen Rand des Formwerkzeuges gleitet und damit
eine Abkühlung erfährt, wodurch die Vorstrekkungsmöglichkeit eingeengt wird. Bei
diesem Verfahren muß mit genügend warmen Werkzeugen gearbeitet werden, um die Verdickung
des Bechers am oberen Rand in tragbaren Grenzen zu halten. Mit hoher Werkzeugtemperatur
ist auch eine längere Abkühlzeit verbunden, die das Arbeitstempo bei der Massenfabrikation
vermindert und die Wirtschaftlichkeit beeinträchtigt. Auch wenn man mit niedrigen
Verformungstemperaturen der Folie arbeitet und dafür höhere Stempeldrücke in Kauf
nimmt und weiter das Druckmittel mit höherem Druck arbeiten läßt, besteht noch der
Nachteil verminderter Wärmestehfestigkeit des Gefäßes, weil ein aus einer Folie
in diesem Verfahren hergestellter Becher nur unterhalb der Verformungstemperatur
wärmebeständig ist.
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Demgegenüber besteht die Erfindung darin, daß die erhitzte zu verformende
Folie in zufolge ihres Eigengewichtes durchhängendem Zustand unter das Werkzeug
gebracht und unter Bildung eines Luftstaues ringsum mit einem Abstand vom Rand der
nutzbaren Form gegenüber dem Formhohlraum abgedichtet wird und daß an sich bekannte,
mechanisch wirkende Streckhelfer entgegen dem Durchhang der Folie in den Luftsack
und in den Formhohlraum lediglich so weit eingestoßen werden, daß die Folie überall
von der nutzbaren Oberfläche des Formwerkzeuges berührungslos bleibt.
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Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren ist nach der Erfindung die
Folie so weit erhitzt, daß sie keine nennenswerte Eigenelastizität mehr aufweist.
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In diesem Zustand hat jede weitere mechanische Behandlung der Folie
keinerlei Streckeffekte mehr zur Folge, sondern es tritt durch die mechanische Behandlung
der erhitzten Folie eine Walkwirkung ein, durch die die elastischen Eigenschaften
der Folie noch weiter herabgesetzt werden.
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Der Vorteil der Erfindung liegt in der Fähigkeit, Ziehlinge (Becher,
Töpfe od. dgl.) zu erhalten, die bei extremen Ziehtiefen, d. h. einem Verhältnis
oberer Druckmesser zu Formtiefe von beispielsweise t :1,8, noch praktisch gleichmäßige
Wandstärke aufweisen, jedenfalls eine unvergleichbar bessere Gleichmäßigkeit als
die nach den bekannten Verfahren hergestellten Ziehlinge.
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Gegenüber den bekannten Verfahren, bei welchen große Dickenunterschiede
in der Wandung der Ziehlinge grundsätzlich unvermeidlich sind, bietet die Erfindung
ferner den Vorteil, daß die einzusetzende zu verarbeitende Folie in ihrer Dicke
bedeutend kleiner gehalten werden kann, um einem Ziehling eine technisch brauchbare
Mindestwanddicke zu geben. Dies ist von Bedeutung bei der Herstellung von Bechern
für Einmalgebrauch, Einwegverpackungen usw., die die natürliche Weiterentwicklung
der bisherigen Papierbecher darstellen. Durch die große Gleichmäßigkeit wird durch
Verfahrensnachteile kein unnützes Material an irgendeinem Teil des Gefäßes verloren,
um durch eine Mindestwanddicke eine technische Brauchbarkeit zu erzielen.
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Während des Formvorganges bewegen sich die Streckhelfer, getragen
durch einen Träger, schlagartig nach oben, wobei die durch die durchhängende Folie
und das Formwerkzeug eingeschlossene Luft einen Druckanstieg erfährt und die plastische
Folie über die Streckhelfer zieht, ohne das kalte Formwerkzeug zu berühren. Diese
Vorstreckung soll ohne Berührung des Formwerkzeuges bis nahezu zur endgültigen Artikelform
ausgeführt werden, so daß beim Einsetzen der Saugwirkung die Folie schlagartig und
gleichzeitig an sämtlichen Teilen des nutzbaren Formwerkzeuges anschlägt. Hierdurch
ergibt sich eine besonders gleichmäßige Wanddickenverteilung.
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Zweckmäßigerweise kann der Luftstau zwischen der zu verformenden
Folie und dem Formwerkzeug während des Hochfahrens der Streckhelfer im Sinne einer
Verringerung geregelt werden.
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Für die Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung eignet sich
insbesondere eine Vorrichtung, bei der die Streckhelfer frei stehend auf einem Träger
und mit solchem Abstand von diesem Träger angeordnet und in Form, Durchmesser und
Länge derart ausgebildet sind, daß sie in völlig in die Formhöhlung eingeführter
Stellung noch einen Zwischenraum zwi-
schen der sich auf sie legenden zu verformenden
Folie und der Oberfläche des Formwerkzeuges zur Aufnahme des Luftstaues lassen und
außerdem noch ein Abstand zwischen der Folie und dem Streckhelferträger verbleibt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung einer Ausführungsform an Hand der Zeichnung. Es zeigt Abb.
1 eine Vorrichtung nach der Erfindung in schematischer Darstellung, Abb. 2 einen
Ausschnitt aus Abb. 1 bei eingestoßenen Streckhelfern und Abb. 3 einen senkrechten
Schnitt durch einen Streckhelfer in schematischer Darstellung.
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In der dargestellten Ausführungsform besteht die Verformungsvorrichtung
aus einem oberhalb der Folie 1 angeordneten heb- und senkbaren Formwerkzeug 2, das
an seinem Rand mit Dichtungselementen 3 auf den Rand der Folie 1 gesetzt wird. Unterhalb
des Formwerkzeuges 2 sind auf einer heb- und senkbaren Platte 5 die Streckhelfer
6 senkrecht stehend angeordnet. Diese Streckhelfer 6 sind in Anzahl und Form den
Formhohlräumen 7 angepaßt. Hierzu sind in dem vorliegenden Beispiel die Streckhelfer
6 in ihrer Form in ihrem Durchmesser und in ihrer Länge derart ausgebildet, daß
sie bei völlig in die Formhohlräume eingeführter Stellung noch einen Zwischenraum
zwischen der sich auf sie legenden zu verformenden Folie 1 und der Oberfläche des
Formwerkzeuges 2 lassen. Ebenso weisen die Streckhelfer 6 gegenüber ihrer Trägerplatte
5 einen solchen Abstand auf, daß die Folie 1 und die Platte 5 nicht in Berührung
kommen können.
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Im oberen Teil ist das Formwerkzeug 2 über ein Ventil 5 mit einer
Vakunnaleitung 10 verbunden. Zum Evakuieren der Formhohlräume 7 sind an deren Grund
Kanäle 8 angeordnet, die die Formhohlräume 7 mit einer im oberen Teil des Formwerkzeuges
2 versehenen Vakuumkammer verbinden, an die sich über einen Stutzen das Ventil 9
anschließt. Das Ventil 9 kann vorteilhaft als Feinregelventil ausgebildet sein.
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Wie Abb. 2 zeigt, kann sich die Einstoßbewegung der Streckhelfer
6 in die Formhohlräume 7 auf einen Teil der Streckhelferlänge beschränken. Hierzu
ist zweckmäßigerweise die Betätigungseinrichtung zum Anheben der Streckhelfer 6
mit einer wahlweise einstellbaren Begrenzungseinrichtung versehen.
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Um die zu verformende Folie 1 während des Vorstreckvorganges durch
die Streckhelfer 6 nicht abzukühlen, sind die Streckhelfer aus einem Material von
geringster spezifischer Wärme und geringster Wärmeleitfähigkeit hergestellt. An
die Oberfläche der Streckhelfer 6 wird die Bedingung eines bestimmten Reibungskoeffizienten
gegenüber der plastifizierten Foliel gestellt. Damit wird erreicht, daß während
des Vorstreckvorganges auch die Folienteile genügend gestreckt werden, die nach
der Verformung den Boden von tiefgezogenen Bechern darstellen.
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Solche Streckhelfer können aus verschiedenen Schaumstoffen, speziell
präparierten Filzen, hergestellt sein bzw. eine Schicht 11 aus solchen Stoffen tragen.
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Bei extrem dünnen Folien, etwa unter 0,3 mm Ausgangsdicke, ist es
im allgemeinen notwendig, eine Warmluftschmierung an den Helfern zu benutzen. Bei
der in Abb. 3 dargestellten Ausführungsform des Streckhelfers 6 für Warmluftschmierung
wird während
des Vorstreckvorganges Heißluft durch die Kanäle 14
geblasen. Diese Heißluft durchdringt den porösen Überzug 11 und bildet während des
Vorstreckvorganges ein dauernd neu aufgefrischtes Warmluftpolster zwischen Streckhelferoberfläche
und plastifizierter Folie. Diese Warmluft wird während des Streckhelfervorganges
durch Kanal 12 vom Ventil 13 her kommend zugeführt.
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Zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung wird zunächst
ein der Größe des Formwerkzeuges 2 entsprechender Abschnitt der Folie 1 außerhalb
des Formwerkzeuges 2 so weit erhitzt, daß sich in der Folie 1 auf Grund deren Eigengewichts
ein sackartiger Durchhang 4 bildet. In diesem Zustand wird die Folie unter das Formwerkzeug
2 gefördert und durch eine senkrechte Relativbewegung zwischen dem Formwerkzeug
2 und der Folie 1 an den Dichtungen 3 am Rand des Formwerkzeuges 2 abgedichtet.
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Durch den natürlichen Durchhang der Folie bildet sich zwischen ihr
und dem Formwerkzeug 2 ein Luftstau 4, ohne daß es nötig ist, zu seiner Ausbildung
noch Luft einzuführen.
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Ein Einführen von Preßluft zur Erhöhung des Sackes oder der Stauwirkung
wäre theoretisch möglich, aber hätte folgende Nachteile: Jede Luftbewegung innerhalb
des Formwerkzeuges und der durchhängenden Folie hat eine stellenweise Abkühlung
des plastifizierten Materials zur Folge und damit ein unterschiedliches Verhalten
während des Formungsvorganges. Damit wären bei einem Vielfachwerkzeug ungleichmäßige
Gewichte von Artikeln die Folge wie auch unterschiedliche Wanddicken, weil die Voraussetzung
der Verformung eine absolut gleichmäßige Aufheizung der Folie ist.
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Zum Vorstrecken werden dann die auf der Platte 5 montierten Streckhelfer
6 kurzzeitig in den Luftstau 4 und in die Formhohlräume 7 so weit eingestoßen, daß
die Folie 1 überall von der nutzbaren Oberfläche des Formwerkzeuges 2 berührungslos
bleibt, wie dies Abb. 2 zeigt. Der Luftstau 4 hindert dabei eine Berührung der erwärmten
Folie und der bei diesem Arbeitsgang aus ihr entstehenden Formlinge mit dem kalten
Formwerkzeug. Außerdem wird durch die Gegenwirkung der Streckhelfer 6 und des Luftstaues
4 eine Walkwirkung auf die Folie ausgeübt, durch die die Folie 1 ihre restlichen
elastischen Eigenschaften praktisch vollkommen verliert und sich auf die Streckhelfer
6 legt, so daß die Formkörper schon weitgehend ihre Endform erhalten.
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Während des Einstoßes der Streckhelfer 6 in den Luftstau 4 und die
Formhohlräume7 kann der im Luftstau 4 herrschende Druck im Sinne einer Verringerung
geregelt werden. Hierzu kann bereits bei Beginn des Einstoßens der Streckhelfer
6 das Feinregelventil 9 derart eingestellt werden, daß es den Standruck während
des Einstoßens der Streckhelfer 6 verringert.
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Auch während des Beginnes der sich anschließenden Vakuumverformung
kann das Feinregelventil 9 noch teilweise geöffnet bleiben und damit eine seitliche
Regelung der Vakuumverformung erfolgen, durch die sich eine optimale Wanddickenverteilung
der Formkörper steuern läßt. Die günstigste Einstellung des Ventils hängt von verschiedenen
Faktoren, wie Folienmaterial, Aufheiztemperatur, Grad der Vorverformung durch die
Streckhelfer 6 usw., ab und
wird für die jeweilige Fabrikationsserie zweckmäßig empirisch
ermittelt.