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Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Hohlkörpern aus einer
Folie aus thermoplastischem Kunststoff Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum
Herstellen im allgemeinen konkaver, insbesondere tiefgezogener Hohlkörper aus Folien
aus thermoplastischem Kunststoff nach der Methode der Vakuumverformung unter Verwendung
einer Negativform und eines Stempels, und sie betrifft weiter einen für eine Form
zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Hilfsstempel.
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Die in der Kunststofftechnik bekannte Vakuumverformung ermöglicht
eine wirtschaftliche und rasche Herstellung von Hohlkörpern, ohne daß dabei die
hohen Drücke und Temperaturen des Spritzgießens erforderlich sind. Allgemein wird
bei dem Vakuumverfahren die Folie in eine Vorrichtung, wie einen Rahmen, eingeklemmt,
durch Erhitzen, zweckmäßig mittels Strahlungswärme, erweicht, die Heizquelle entfernt,
die erweichte Folie dicht unter Bildung eines sich um die Form herum erstreckenden
dichten Abschlusses über die Oberfläche der warmen negativen Form gepreßt, die einen
oder mehrere der Form des gewünschten Formlings entsprechende Hohlräume aufweist,
und die Folie ausgeformt, indem man die zwischen Folie und Form eingeschlossene
Luft durch eine Anzahl kleiner Öffnungen oder Poren in den Formflächen absaugt,
die zu einem in der Form befindlichen, an eine Vakuumquelle angeschlossenen Sammelkanal
führen. Die Folie wird schließlich in ihrer bei der Ausformung erhaltenen Gestalt
durch Wärmeabgabe, und zwar auf der Außenseite des Formkörpers an die warme Form
und auf seiner Innenseite an die Atmosphäre, zum Erstarren gebracht.
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Wenn die Folie in Formen großer Tiefe, insbesondere solchen ausgeformt
werden muß, bei denen das Verhältnis der Formtiefe zum Durchmesser des Formbodens
größer als etwa 1: 2 ist, werden bei der einfachen Vakuumverformung Formkörper mit
sehr dicken Böden und im unteren Teil dünnen Wandungen erhalten, da in diesen Zonen
eine stärkere Dehnung der erweichten Folie erfolgt. Man hat aus diesem Grund die
bekannte Saugverformung mittels Hilfsstempeln entwickelt.
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Diese Technik bedient sich der gleichen Eingangsstufen wie die einfache
Vakuumverformung. Die Folie wird jedoch vor ihrer durch Anwendung des Vakuums erfolgenden
Ausformung mittels eines konischen, stumpfnasigen Stempels um 60 bis 9501o ihres
Weges in die Form eingedrückt und dann mittels des Vakuums von dem Stempel abgezogen
und an die Formflächen angesaugt.
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Diese Arbeitsweise ist technisch bei der Vakuumverformung von Polystyrol-
und Acrylharzfolien angewendet worden. Beim Einführen des Stempels wird eine mechanische
Dehnung der Folie erhalten. und
zwar wird das Folienmaterial mit recht gleichmäßiger
Stärke über die Stempeloberfläche verteilt, da die erweichte Polystyrolfolie bei
einer bestimmten Temperatur der Stempelfiächen auf ihm gleitet. Wenn jedoch nach
der gleichen Arbeitsweise (bei welcher der Stempel lediglich zur mechanischen Dehnung
der Folie dient) Folien aus bestimmten anderen Kunststoffen, wie Polyäthylen, verarbeitet
werden, sind die Ergebnisse unbefriedigend. Viele Kunststoffe, einschließlich Polyäthylen,
vermögen im durch Wärmeeinwirkung erweichten Zustand nicht in dem erforderlichen
Maße auf den Stempelflächen zu gleiten. Im Ergebnis wird der Folienteil, der die
Seitenwand des Formkörpers bilden soll, auf eine geringe Stärke ausgezogen, während
der am Stempelboden befindliche Folienteil seine ursprüngliche Stärke vollständig
oder fast vollständig beibehält.
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Wenn hier dann durch Anwendung des Vakuums die Folie von dem Stempel
abgezogen und an die Formwand angesaugt wird, so erfolgt eine weitere Dehnung der
auf eine geringe Stärke ausgezogenen Wandungen,
insbesondere in
der Nähe des Bodens, während der starke Folienteil am Stempelboden der Ausdehnung
Widerstand leistet und auf diese Weise in der Mitte des Bodens des Fertiggegenstandes
eine starkwandige Zone bildet. Der erhaltene Fertiggegenstand besitzt längs der
Kante, an welcher seine Wandungen mit dem Boden vereinigt sind, die geringste Stärke
und mechanische Festigkeit. Diese Erscheinung tritt am stärksten bei Kunststoffen
in der Art von Polyäthylen in Erscheinung, kann aber auch bei bestimmten Formkörpern
beobachtet werden, die aus Kunststoffen in Art von Polystyrol hergestellt werden.
Für die meisten Zwecke sind derartige Formkörper ungeeignet. Im Ergebnis hat man
es bisher als für die Praxis unannehmbar betrachtet, aus Folien aus Polyäthylen
oder vielen anderen Kunststoffen nach der Technik des Vakuumverformens tiefgezogene
Formkörper herzustellen, und bei der Verwendung anderer Kunststoffe, wie Polystyrol,
war die Vielfalt der erhältlichen Formen Beschränkungen unterworfen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren geht von der bekannten Technik des
Vakuumverformens von Folien aus thermoplastischem Kunststoff unter Verwendung einer
Negativform und eines konischen Stempels zur Vordehnung der Folie aus. Es ermöglicht
insbesondere die Herstellung von Hohlkörpern, deren Wandung bis 45" gegen die Längsachse
geneigt sind und bei denen das Verhältnis von Ziehtiefe zu Basisdurchmesser mehr
als 1: 2 beträgt; es ist dadurch gekennzeichnet, daß noch während des Vordehnens
in der Hauptachse der die Hohlkörperseite bildenden Folienteile der den Hohlkörperboden
bildende Folienteil einer gesonderten Vordehnung in an sich bekannter Weise durch
Anwendung eines Überdruckes unterworfen wird.
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Die Vordehnung mit Hilfe von Überdruck bei der Verformung von thermoplastischen
Kunststoffolien mit Hilfe von Positivformen ist an sich bekannt. Hierbei tritt jedoch
der gleiche Nachteil auf, der oben in Verbindung mit der bisher üblichen Vakuumverformung
erörtert wurde; denn wenn Kunststoffe, wie Polyäthylen, verformt werden, die im
plastifizierten Zustande nur eine schlechte Gleitfähigkeit aufweisen, haftet der
erweichte Kunststoff mit der Bodenfläche des entstehenden Hohlkörpers an der Positivform
an, und es erfolgt auch in diesem Falle eine ungleichmäßige Dehnung, indem die der
angreifenden Positivform unmittelbar benachbarten Wandungsteile des Hohlkörpers
zu stark gedehnt und daher zu dünn werden.
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Nach einem anderen bekannten Verfahren, nach welchem die Verformung
thermoplastischer Kunststoffe ebenfalls mit Hilfe einer Positivform erfolgt, wird
die Vordehnung der Folie mittels eines sich aus der Positivform herausschiebenden
Stempels vorgenommen. Dieses Verfahren weist den gleichen Nachteil auf wie die oben
beschriebenen Verfahren, weil der erweichte Kunststoff an der Vorderfläche des Hilfsstempels
anhaftet und infolgedessen bereits bei der Vordehnung ungleichmäßig gedehnt wird,
da die Wandungsteile auf eine geringere Stärke ausgezogen werden als der an der
Vorderfläche des Stempels anliegende Bodenteil des Hohlkörpers.
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Dieser Übelstand kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht auftreten,
weil das Anhaften des in plastischem Zustande befindlichen Kunststoffes an der Fläche
des Stempels infolge der besonderen Vordehnung des Bodenteiles mittels Überdruck
vermieden wird.
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Diese Arbeitsweise ermöglicht daher im Gegensatz zu den bekannten
Methoden die Herstellung von Hohlkörpern, deren Wandung und Boden praktisch gleichmäßig
stark sind, wodurch der Werkstoff mit höchstem Wirkungsgrad zur Erzielung von Starrheit
und Steifheit herangezogen wird.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Vordehnung
des den Hohlkörperboden bildenden Folienteiles durch Einwirkung des zunehmenden
Luftdrucks, der sich beim Eindrücken der Folie in die Form zwischen Folie und Forminnenwand
ausbildet, einerseits und eines niedrigeren Druckes, wie Atmosphärendruck oder insbesondere
Vakuum, auf die andere Folienseite andererseits bewirkt. Nach einer weiteren Ausführungsform
erfolgt die Vordehnung des den Hohlkörperboden bildenden Folienteiles durch Erzeugung
eines Überdruckes zwischen dem unteren Teil des Hilfsstempels und der Folie, d.
h. durch eine Art Aufblasung des unteren Folienteiles.
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Die Folie wird in bekannter Weise vor der Verformung durch Erhitzen
erweicht; diese Erhitzung erfolgt insbesondere auf eine Temperatur zwischen dem
Erweichungspunkt des Kunststoffes und eine um 56"C höhere Temperatur. Das Eindrücken
der Folie mittels des Hilfsstempels in die Form erfolgt zu 60 bis 950/0.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders zur Verformung
von Polyäthylenfolien, läßt sich aber auch mit Vorteil auf viele andere Typen thermoplastischer
Folien anwenden, einschließlich solcher aus Polyäthylenen höherer Dichte, Polymethylmethacrylaten,
Polyamiden, Polyvinylchloriden, Celluloseacetaten- und Cellulosebutyraten und thermisch
stabilen hochmolekularen Polyoxymethylenen der in der USA.-Patentschrift 2 768 994
beschriebenen Art.
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Der hohe Wert des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß bei
jedem dieser Kunststoffe eine wirtschaftliche Erzielung der erforderlichen Starrheit
des Formkörpers dadurch ermöglicht wird, daß gegenüber bekannten Verfahren ein größerer
Prozentsatz der Kunststoffmasse in die Formkörperseitenwandungen und ein geringerer
Prozentsatz in den Bodenteil gelangt, wo er im geringsten Maße zur Erzielung der
Starrheit beiträgt.
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Die Erfindung schafft weiter einen zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens besonders gut geeigneten Hilfsstempel, dessen Querschnitt ungefähr dem
des Formhohlraums entspricht, dessen Wandungen eine um etwa 1 bis 30 stärkere Neigung
als die Forminnenwandungen aufweisen und der gemäß der Erfindung an der Stempel
nase eine mit der Atome sphäre in Verbindung stehende oder an eine Niederdruckzone
anschließbare Öffnung, die sich in einer Aushöhlung der Stempelnase befindet, oder
eine an eine Hochdruckzone an schließbare Öffnung aufweist.
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Die bei einer Ausführungsform in der Stempelnase vorgesehene Aushöhlung
oder Vertiefung weist einen in Beziehung zu dem Formquerschnitt stehenden, insbesondere
einen runden, elliptischen oder mehrkantigen Querschnitt und dementsprechend eine
kugelabschnittförmige, ellipsoidabschnittförmige oder insbesondere konische oder
pyramidenförmige Form auf, wobei die Innenfläche der Aushöhlung insbesondere geradlinig
verläuft. Die Stempelwandung ist linear oder vorzugsweise im unteren Teil in Form
einer parabolischen Krümmung um 1 bis 30° stärker als die Innenwand der Form verjüngt.
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Zur Herstellung der bevorzugten tiefgezogenen Hohlkörper, deren Wandungen
um 0 bis 45" gegen ihre Achse geneigt sind und bei welchen das Verhältnis von Tiefe
zu Basisdurchmesser mehr als 1: 2 beträgt, beträgt der Durchmesser des unteren Stempelendes
vorzugsweise 35 bis 7501o desjenigen des Formbodendurchmessers, der Durchmesser
des Stempelkopfes 50 bis 980/o des Innendurchmessers der Form am Kopf, die Oberfläche
der Aushöhlung der Stempelnase 40 bis 100 01o der Formbodenfläche und die von der
Stempelnase umschriebene Fläche 12 bis 4501o derjenigen der Formbodenfläche, und
es liegt das Verhältnis der Formtiefe zum Formbodendurchmesser (ohne Rücksicht darauf,
ob der Boden eine kreisrunde oder sonstige Form hat, die durch die Bodenmittel gemessene
größte lineare Ausdehnung desBodens)vorzugsweise zwischen 1: 2 und einem Maximalwert,
der im Falle einer Neigung der Forminnenwandung von weniger als 7" sich aus der
Kurve gemäß F i g. 6 bestimmt und im Falle einer Neigung von 7 bis 45" beträgt,
wobei die Kombination der Merkmale besonders gute Ergebnisse liefert.
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Wenn irgendeine Neigung auftritt, daß der heiße Kunststoff bei der
Anwendung des Vakuums auf den Formraum an dem Hilfsstempel klebenbleibt, so bietet
es manchmal Vorteile, den Hilfsstempel mit einem dünnen (0,0025 bis 0,05 mm dicken)
Überzug eines Polytetrafluoräthylens zu überziehen, wodurch das Klebenbleiben beseitigt
wird. Wenn die Neigung zum Klebenbleiben jedoch nur gering ist, kann sie gewöhnlich
beseitigt werden, indem man die Temperatur des Hilfsstempels um einige Grade erhöht.
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Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat sich weiter
gezeigt, daß eine glattere Oberfläche der Formkörper mit besserem Aussehen erzielt
werden kann, wenn die Oberfläche der Form nicht spiegelglatt ist, sondern vielmehr
die durch eine Flüssigkeitshonung erhaltene, als »satinähnlich« bekannte Beschaffenheit
aufweist. Bei dieser Honung wird eine Aufschlämmung kleiner Glasperlen von weniger
als 0,062 mm (230 Maschen) Korngröße mittels einer Druckluftpistole auf die Formoberfläche
aufgespritzt. Die sich ergebende satinähnliche Oberflächenbeschaffenheit verhindert
die Einschließung sehr kleiner Luftbläschen zwischen dem Kunststoff und den Formwandungen
während der Vakuumanwendung.
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Der Stempel wird zur leichteren Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens mit einer Heizeinrichtung und Mitteln zur Messung und Regelung seiner
Temperatur versehen.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der beispielsweisen
Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens und des Hilfsstempels an Hand der Zeichnungen.
In den Zeichnungen zeigt F i g. 1 schematisch im Schnitt eine konkave Vakuumform
mit einem üblichen konischen stumpfnasigen Hilfsstempel zur Formung tiefgezogener
Hohlkörper aus Folien aus thermoplastischem Kunststoff, F i g. 2 in gleicher Darstellung
die Vakuumform von Fig. 1 mit einem nach einer Ausführungsform der Erfindung ausgebildeten,
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Hilfsstempel, F i g.
3 schematisch im Schnitt den genaueren Aufbau einer Ausführungsform einer zur Durchführung
der erfindungsgemäßen Vakuumverformung geeigneten Vorrichtung, F i g. 4a bis 4d
nach dem erfindungsgemäßen Ver-
fahren aus Folien aus thermoplastischem Kunststoff
herstellbare Behälter mit einem Verhältnis von Tiefe zu Bodendurchmesser von mehr
als 1: 2, F i g. 5 eine andere Ausführungsform einer zur Durchführung der erfindungsgemäßen
Vakuumverformung geeigneten Vorrichtung und F i g. 6 in Form einer graphischen Darstellung
den Zusammenhang zwischen der Mindestneigung der Formkörperwandung und dem Verhältnis
von Tiefe zu Bodendurchmesser des Formkörpers.
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F i g. 1 veranschaulicht die typische, bisher zur Vakuumsaugverformung
von Hohlkörpern nach der Technik des Tiefziehens unter Verwendung von Stempeln verwendete
Vorrichtung. Der konkaven Form 1 ist der konisch zulaufende stumpfnasige Stempel
2 zugeordnet. Die Form 1 weist eine Sammelkammer 3 auf, die mittels einer (nicht
eingezeichneten) Vakuumpumpe rasch evakuiert werden kann und über eine Ringreihe
von Öffnungen an der Kante zwischen Formboden und Formseitenwandung (z. B. 4, 5)
mit dem Formraum in Verbindung steht. Der Durchmesser der leicht gerundeten, stumpfen
Nase 6 des Hilfsstempels 2 beträgt 75 bis 950/o desjenigen des Formbodens. Wenn
mit einer Vorrichtung dieser allgemeinen Ausbildung eine Polyäthylenfolie zu einem
Hohlkörper verformt wird, so wird unter der Wirkung des nach unten gehenden Stempels
2 der Folienteil, der die Formkörperseitenwandungen bildet, gestreckt, während der
am Stempelboden befindliche Folienteil ungestreckt bleibt und seine Stärke beibehält,
da das warme Polyäthylen nicht über die am Stempelende befindlichen Kanten gleitet.
Wenn schließlich mittels eines Vakuums die Folie an die Forminnenwandung angesaugt
wird, so erfolgt eine weitere Streckung des schon dünnen Folienteils, während der
dicke Folienteil an der Stempelnase 6 der Streckung widersteht und in Form einer
dicken Scheibe in der Mitte des Formkörperbodens zurückbleibt. Der Formkörper besitzt
im Ergebnis Wandungen, deren Dicke vom Kopf zum Boden hin abnimmt, und es ist längs
der die Seitenwandungen mit dem Boden verbindenden Kante sehr dünn und mechanisch
schwach. Dies stellt eine sehr unwirtschaftliche Verwendung des Kunststoffes dar
und führt im allgemeinen zu einem nicht zufriedenstellenden Formkörper.
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Fig. 2 zeigt eine typische Ausführungsform der für die Durchführung
des allgemein bevorzugten Verfahrens gemäß der Erfindung geeigneten Vorrichtung.
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Die Form und die Mittel 3, 4, 5 zur Ausübung eines Vakuums auf den
Formraum entsprechen der F i g. 1.
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Der Hilfsstempel 7 ist jedoch in neuartiger Weise ausgebildet; es
weist eine Reihe von Merkmalen auf, die in ihrer Zusammenwirkung eine sehr gute
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglichen. Gemäß der Erfindung ist
der Stempel 7 mit einer Bohrung 8 versehen, die sich von seinem oberen Ende zu einer
kleinen Öffnung 9 erstreckt, welche im Scheitel einer Aushöhlung der Stempelnase
mündet.
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Die Bohrung 8 steht mit einer Niederdruckzone in Verbindung, nämlich
dem Atmosphärendruck oder einer Vakuumquelle. Die Oberfläche der Aushöhlung in der
Stempelnase beträgt 50 bis 1000/o der Bodenfläche der Form. Der Stempel 7 ist ferner
derart stärker als der Stempel 2 gemäß F i g. 1 verjüngt, daß der Betrag an Folie,
der von dem Stempelboden zwischen den Punkten 11 und 12 umgeben wird, gleich der
Kunststoffmenge ist, welche gleichmäßig über den Formkörperboden verteilt werden
soll; gewöhnlich ist
die Herstellung von Formkörpern vorzuziehen,
deren Boden dicke ungefähr gleich der Wandungsdicke ist.
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Die Seitenwand 13 des Stempels 7 läuft konisch zu, und zwar entweder
geradlinig oder, wie hier gezeigt, in einer parabolischen Krümmung. Der Stempel
weist einen solchen Durchmesser auf, daß in seiner untersten Stellung in der Form
1 der Abstand zwischen der Stempelwand 13 und der Kante 14 am Kopf der Form das
2- bis 10fach der Dicke der verwendeten Folie beträgt. Die Stempelwand 13 ist um
etwa 1 bis 30° stärker als die Forminnenwand 14 geneigt, die mit der Senkrechten
einen Winkel von 0 bis 45" bildet. Die Stempelwand 13 kann zwar geradlinig verlaufen,
ist aber vorzugsweise wie in F i g. 2 in der Nähe der Stempelnase parabolisch gekrümmt.
Die Ringfläche 11, 12, an welcher die Aushöhlung 10 in die konische Stempelaußenfläche
13 übergeht, kann einen Krümmungsradius von 0,8 bis 12,7 mm erhalten, was davon
abhängt, welche Kunststoffmenge längs der die Formkörperwand und den Formkörperboden
verbindenden Übergangskante verteilt werden soll. Der mit dieser Ringfläche 11,
12 in Berührung stehende Folienteil braucht nicht (beim Abwärtsgehen des Stempels
oder der anschließenden Vakuumanwendung) so stark wie der restliche Folienteil ausgezogen
zu werden, sondern kann gegebenenfalls an der Bodenkante des ausgeformten Form körpers
eine Festigkeitszone bilden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sei weiter an Hand der Vakuumformung
eines runden Behälters gemäß F i g. 4a aus einer Polyäthylenfolie unter Verwendung
der Form und des erfindungsgemäßen Hilfsstempels nach F i g. 4 erläutert.
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Gemäß F i g. 4 a weist der herzustellende Formkörper eine lotrechte
Tiefe 35 von 10,2 cm, einen Bodendurchmesser 36 von 7,6 cm und einen Kopfdurchmesser
von 8,9 cm auf (jeweils außen gemessen). Die Behälterwandungen sind damit um 4"
gegen die lotrechte Behälterachse geneigt. Die Bodenkante 38 des Behälters weist
einen Krümmungsradius von 1,6 mm auf; in 9,5 mm Entfernung vom Behälterkopf ist
ein Außenwulst39 vorgesehen, der zur Festlegung eines Klemmdeckels dient.
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Der Aufbau der zur Herstellung dieses Behälters verwendeten Form
mit Stempel ist schematisch in F i g. 3 dargestellt (wobei sich der erfindungsgemäße
Stempel 18 in seiner untersten Stellung in der Form 17 befindet). Die Figur zeigt
den Zeitpunkt des Formungsganges, in welchem die Folie 32 in die Form eingedrückt
worden ist und unmittelbar anschließend durch Vakuum anwendung an die Innenflächen
der Form angesaugt wird. Die Maße der Innenflächen der Form 17 entsprechen den Außenmaßen
des Behälters gemäß F i g. 4a. In der Form, die aus Aluminium bestehen kann, sind
mit einer Vakuumquelle in Verbindung stehende Kanäle 19 vorgesehen, welche andererseits
über eine Ringreihe kleiner Öffnungen 20, 21 mit dem Formboden in Verbindung stehen,
während eine weitere Ringreihe solcher Öffnungen 22, 23 in einer zur Formung des
Außenwulstes am Behälter dienenden Ringnut münden. Die zur Erhitzung der (um 11
bis 83" unter der Erweichungstemperatur des Harzes gehaltenen) Form dienende Einrichtung
ist nicht eingezeichnet.
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Die Gesamthöhe des Stempels 18, der ebenfalls aus Aluminium gefertigt
sein kann, beträgt 10,2 cm, sein Kopfdurchmesser 8,3 cm, sein Durchmesser am Boden
(zwischen den Punkten 24 und 25)4,1 cm. Der Stempelboden weist eine kegelförmige
Aushöhlung auf,
die - gemessen zwischen der Ringfläche 24, 25 und dem Kegelscheitel
26 - eine lotrechte Höhe von 31,85 mm hat. Die Kegelseiten bilden mit der Senkrechten
einen Winkel von 25". Der Basisdurchmesser der konischen Aushöhlung beträgt 36,1
mm. Die Aushöhlung weist eine Kegelfläche von ungefähr 20,6 cm2 auf, was 450/o der
Formbodenfläche (45,8 cm2) entspricht. Am Scheitel 26 der konischen Vertiefung ist
eine kleine Öffnung vorgesehen, die zu der mit der Atmosphäre in Verbindung stehenden
Bohrung 27 führt. Eine senkrechte Stange 28 (Durchmesser 2,5 cm) führt von der Mitte
des Stempelkopfes zu einem den Stempel hebenden und senkenden Mechanismus (nicht
gezeichnet). Der Stempel wird mittels einer Einrichtung 29 erhitzt und auf der jeweils
gewünschten Temperatur gehalten, die gleich der Erweichungstemperatur des Kunststoffes
oder höher sein kann.
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Die Vakuumverformung der Folie geschieht unter Verwendung dieses
Hilfsstempels folgendermaßen: Die Folie 32 wird mittels Druckstäben 30, 31 (und
weiteren nicht eingezeichneten Druck stäben, die rechtwinklig zu den erstgenannten
verlaufen) an den Rahmen 34 angeklemmt. Der die Folie tragende Rahmen wird automatisch
in eine Zone geführt, in welcher durch Wärmezufuhr das Harz erweicht wird.
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Der Rahmen 34 mit der erweichten Folie wird dann von der Wärmequelle
weggeführt und über die Form 17 gebracht und dann die Form in Richtung auf die Folie
hin nach oben bewegt oder der Rahmen auf die Form gesenkt, wodurch eine Abdichtung
zwischen der Folie und der Formoberseite erzielt wird (was bei der Lage der Form
17 zum Rahmen 34 gemäß Fig. 3 der Fall ist). Der erhitzte Stempel 18 wird dann um
60 bis 98°/o in die Form eingedrückt, bis er eine der F i g. 3 entsprechende Stellung
erreicht hat, wobei die zwischen der Forminnenwand und der Folie befindliche Luft
zusammengepreßt wird. Diese Zusammenpressung der Luft führt zur Ausbildung eines
Luftdruckunterschiedes, unter dessen Wirkung die Folie 32 nach oben in die Aushöhlung
35 der Stempelnase eingepreßt wird, da die Aushöhlung mit der Atmosphäre in Verbindung
steht und sich somit kein Druck aufbauen kann. Durch die Wirkung des Luftdruckunterschiedes
wird dieser Folienteil somit in im wesentlichen dem gleichen Grade wie der Folienteil
an der Stempelaußenseite vorgedehnt. An diesem Punkte des Formungsganges wird der
in F i g. 3 dargestellte Zustand erreicht. Dann wird auf den Kanal 19 ein Vakuum
ausgeübt und die zwischen der Folie und der Forminnenwandung zusammengepreßte Luft
durch die Öffnungen 20, 21 und 22, 23 abgesaugt.
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Unter der Wirkung des dabei zwischen der Folie und der Form erzeugten
Vakuums wird die Folie von dem Stempel abgezogen und unter dem Druck der Atmosphäre
an die Forminnenflächen angesaugt; die dabei erfolgende Folienbewegung ist in Fig.
3 mit Pfeilen 33 angedeutet. Der Stemepl wird schließlich entfernt, das Harz in
der erzielten Form durch Wärmeabgabe an die Luft und die Form zum Erstarren gebracht
und der Fertiggegenstand aus der Form entnommen, wobei gegebenenfalls Mittel vorgesehen
sind, um den Folienüberschuß am Behälterkopf abzuschneiden.
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Bei Verwendung dieser Form und dieses Stempels (I) zur Formung von
1,52 bis 165 mm starken Polyäthylenfolien in Behälter wurden im Vergleich zu einem
bekannten Stempel (II) folgende Werte erhalten:
| Versuch |
| I II III IV |
| Polyäthylen |
| A A 13 1 13 |
| Foliendicke, mm ............................... 160 1,60 1,65
1,65 |
| Erhitzte Folienfläche, cm........................ 20,3 # 20,3 |
| Stempel ...................................... I II I II |
| Stempeltemperatur, °C .......................... 160 160 160
160 |
| Formtemperatur, °C ............................. 82 82 71 71 |
| Abstand des Stempels vom Fußboden, mm ....... 12,7 15,9 12,7
15,9 |
| Einführung des Stempels in die Form bis auf eine |
| Gesamttiefe, 01o ............................. 87,5 84,4 87,5
84,4 |
| Dicke des Behälters, mm |
| Bodenmitte t 1,02 0,58 0,99 0,51 |
| Kante......................................... 0,46 0,51 0,48
0,41 |
| Seitenwand, unten ............................ 0,61 0,71 -
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| Seitenwand, oben * 0,61 0,84 - - |
| Verhältnis*) Dicke in der Bodenmitte zu Dicke an |
| der Kante ................................... 2,22 1,15 2,05
1,25 |
| Verhältnis*) Dicke in der Bodenmitte zu mittlerer |
| Dicke der Wandung .......................... 1,67 0,77 - - |
*) Unter Zugrundelegung von in »mii« (gleich 0,025 mm) gemessenen Werten.
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Bei diesen Versuchen wurden zwei Polyäthylenarten verwendet, das
Polyäthylen A mit einer Dichte von 0,930, einem Schmelzindex von 3,0 und einem Verhältnis
Mw/Mn (Molekulargewicht Gewichtsmittel zu Molekulargewicht Zahlenmittel) von weniger
als 10 und das Polyäthylen B mit einer Dichte von 0,914, einem Schmelzindex von
1,8 und einem Verhältnis Mw/Mn von etwa 40. Zum Vergleich der mit dem oben beschriebenen
Stempel gemäß der Erfindung (Stempel II) erhaltenen Ergebnisse wurde weiter ein
zur Verformung von Polystyrol geeigneter bekannter Stempel gemäß Fig. 1 (Stempel
1) verwendet, der eine Höhe von 10,2 cm und einen Kopfdurchmesser von 7;6 cm aufweist
und sich auf einen Durchmesser von 6,4 cm am Fuß verjüngt, wobei Stempelwandung
und -boden mit einem Krümmungsradius von 3,2 mm ineinander übergehen. Bei den Versuchen
wurden die Form und der Stempel gemäß der Erfindung auf einer Formmaschine der Bauart
Brown Machine Co. (Typ 24 24 Zoll) eingesetzt, aber mit anderen Formungsmaschinen
werden die gleichen Ergebnisse erhalten.
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Die Tabelle zeigt klar die überlegenen, nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren unter Verwendung des erfindungsgemäßen Hilfsstempels erhaltenen Ergebnisse.
So beträgt im Falle von Polyäthylen A bei Verwendung des bekannten Hilfsstempels
(Versuch 1) das Verhältnis der Dicke in der Behälterbodenmitte zur Dicke der Kante
2,22 im Vergleich zu 1,15 bei Versuch II, der unter Verwendung des oben beschriebenen
Stempels II gemäß der Erfindung durchgeführt wurde. In diesen beiden Versuchen betrug
das Verhältnis der Dicke in der Bodenmitte zur Wandungsdicke 1,67 bzw. 0,77. Ähnliche
Ergebnisse werden in den Versuchen III und IV mit dem Polyäthylen B erhalten. In
jedem Falle betragen bei Verwendung des erfindungsgemäßen Stempels II diese Verhält-
nisse
1,0 zt 0,3, bei Verwendung des bisher bekannten Stempels I dagegen 2,0 i 0,3. Die
in der erfindungsgemäßen Weise erhaltenen Behälter weisen somit eine an den Seiten
wie am Boden verhältnismäßig gleichmäßige Wandstärke auf, was im krassen Gegensatz
zu den nicht zufriedenstellenden Behältern steht, die nach den bisher bekannten
Verfahren unter Verwendung eines üblichen Hilfsstempels erhalten werden.
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Fig. 6 veranschaulicht in Form einer graphischen Darstellung eine
sehr wichtige Beziehung zwischen der Neigung der Seitenwandung (in Grad; Ordinatenwerte)
und dem Verhältnis zwischen Tiefe und Bodendurchmesser des Behälters (Abszissenwerte)
für Wandneigungen zwischen 0 und 7".
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Bei der Durchführung der erfindungsgemäßen Vakuumverformung ist es
manchmal, insbesondere bei der Verarbeitung sehr dicker Folien eines Kunststoffes
mit sehr hoher Schmelzviskosität, erwünscht, beim Abwärtsgehen des Stempels in die
Form auf die Öffnungen im Scheitel der Stempelnasenvertiefung anstatt Atmosphärendruck
ein Vakuum zur Anwendung zu bringen. In einem solchen Falle wird das Vakuum in dem
Stempel natürlich in der nächsten Stufe des Formungsganges, in welchem durch Vakuumanwendung
auf den Formraum die Harzfolie von dem Stempel abgezogen wird, durch Atmosphärendruck
ersetzt.
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Typische Beispiele für einige andere Formkörper, die nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren erhältlich sind, zeigen die Fig. 4b bis 4d, wobei die Fig. 4c die geradlinige
Seitenflächen aufweisenden Behälter veranschaulicht. Bei der Herstellung solcher
Behälter wird ein im allgemeinen geradliniger Hilfsstempel bevorzugt. Dabei kann
die in der Stempelnase vorgesehene Vertiefung oder Aushöhlung halbkugelig oder,
wie oben, konisch ausgebildet sein, aber vorzugsweise wird eine pyramidenförmige
Vertiefung verwendet,
die, wie oben, eine Oberfläche von 40 bis
1000/o der Bodenfläche der Form aufweist. Der Behälter gemäß Fig. 4d weist Wandungen
auf, die senkrecht verlaufen, wobei das Verhältnis seiner Tiefe zum Basisdurchmesser
2 beträgt.
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Die Herstellung eines Behälters der in Fig. 4d gezeigten Art kann
gut nach der Ausführungsform der Erfindung erfolgen, bei der die Vordehnung des
den Hohlkörperboden bildenden Folienteils durch Erzeugung eines Überdruckes zwischen
dem unteren Teil des Hilfsstempels und der Folie bewirkt wird.
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Hierzu eignet sich gut ein Stempel der in Fig. 5 gezeigten Art, aber
die Ausformung kann auch unter Verwendung eines Stempels nach Fig.2 in der oben
beschriebenen Weise erfolgen.
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Hier wird beim Eindrücken der erweichten Folie in die Form mittels
des abwärts gehenden Stempels durch eine kleine Öffnung in der Mitte der Stempelnase
ein unter Druck stehendes warmes Gas, wie Druckluft, zugeführt. Hierdurch wird durch
Aufblasen einer »Blase« am Stempelboden in die Form der an der Stempelnase befindliche
Folienteil unter der Wirkung des Luftdruckunterschiedes vorgedehnt, und zwar in
dem gleichen Zeitraum in Richtung auf den Formboden hin ausgedehnt, in welchem der
an den Stempelseiten befindliche Folienteil durch den Abwärtshub des Stempels gedehnt
wird. Die Ausformung wird dann zu Ende geführt, indem man wie oben auf den Formraum
ein Vakuum anwendet.
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Bei der in Fig. 5 beispielsweise veranschaulichten Ausführungsform
der Erfindung weist die Form 40 einen runden Hohlraum auf, dessen Verhältnis von
Tiefe (10,2 cm) zu Durchmesser (5,1 cm) 2 beträgt und dessen Wandungen um 0° gegen
die Senkrechte geneigt sind. Im Formboden befindet sich der Sammelkanal 41, der
über die Leitung 44 an eine Vakuumpumpe nicht (eingezeichnet) angeschlossen ist.
Der Sammelkanal 41 steht mit dem Formraum über in einer Ringreihe an der Kante zwischen
Formboden und -seitenwand mündende kleine Öffnungen 42 sowie einer in der Formbodenmitte
mündenden Öffnung 43 in Verbindung. Der runde, konische Stempel 45 ist über die
Stange 46 mit der ihn hebenden und senkenden Einrichtung verbunden. Die Maße des
Stempels und die Neigung seiner Seiten liegen in den oben beschriebenen Grenzen.
Während die Wandung des Stempels (deren Neigung hier 6" beträgt) um 1 bis 30° stärker
als die Seitenwand des Formraumes geneigt sein muß, beträgt der Durchmesser des
unteren Endes des Hilfsstempels 35 bis 750/o des Formraumdurchmessers (hier 50°/0).
Auch bei dieser Formungsmethode kann zwar ein Stempel mit konkav vertiefter Nase
der oben beschriebenen Art Anwendung finden, aber dies ist hier keine Bedingung,
da durch Zufuhr von Druckluft durch die Bohrung 47 und die kleine Öffnung 48 in
dem Stempel in der Folie anstatt eines konkaven Teils hier eine konvexe Auswölbung
erzeugt wird. Die Nase des Hilfsstempels kann daher, wie in Fig. 5 gezeigt, leicht
gewölbt sein, wobei der Krümmungsradius des Stempelbodens hier 10,2 cm beträgt.
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Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt bei dieser
Ausführungsform entsprechend der oben beschriebenen Technik. Die thermoplastische
Folie 51, im vorliegenden Falle eine 1,5 mm starke Polyäthylenfolie, wird mittels
Druckstäben 50 an dem Rahmen 49 angeklemmt, durch Erhitzung auf eine um etwa 17°
über ihrem Er-
weichungspunkt liegende Temperatur erweicht, dann über die Form geführt
und auf die Form aufgedrückt, wobei die Lage nach Fig. 5 erhalten wird. Dann wird
mittels des heißen Stempels 45 (154°) die Folie um 60 bis 95 0/o in den Formraum
eingedrückt. Gleichzeitig wird durch allmähliche Zufuhr von Druckluft durch die
Bohrung 47 und die Öffnung 48 an der Stempelnase die Folie zu einer Art Blase aufgebläht.
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Die von dem Stempel und der Folie unmittelbar vor der Anwendung des
Vakuums erreichten Stellungen sind in Fig. 5 gezeigt; die Folie ist auf beiden Seiten
und an der Stempelnase vorgestreckt, aber noch nicht in die gewünschte Form gebracht.
Die endgültige Ausformung erfolgt in der nächsten Arbeitsstufe, in welcher durch
die Öffnungen 42, 43 der Form Vakuum angewendet wird. Der Fertigungsgang wird dann
in der oben beschriebenen Weise zu Ende geführt. Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens stellt zwar nicht die allgemein bevorzugte Arbeitsweise dar, eignet sich
aber besonders gut zur Vakuum-Saugformungvon Formkörpern der in Fig.4d dargestellten
Art, deren Verhältnis von Tiefe zu Durchmesser sich einem Wert von 2 und deren Wandungsneigung
sich 0° nähert.
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Für die Erfindung sind vorstehend bestimmte besondere Beispiele beschrieben,
ohne sie jedoch auf diese zu beschränken. So kann unter Anwendung der Erfindung
durch Vordehnung des am Stempelboden befindlichen Folienteils mittels des Luftdruckunterschiedes
eine unbegrenzte Vielfalt von konkaven Hohlkörpern erhalten werden. Ferner kann
man anstatt mit der in einigen Beispielen beschriebenen Ausführungsform des Hilfsstempels
mit einer konischen Vertiefung in seinem sich verjüngenden Ende mit anderen, allgemein
konkav geformten Vertiefungen arbeiten, wie einer ungefähr halbkugeligen, halbellipsoidalen
und pyramidenförmigen Aushöhlung, wobei unter der einzigen Voraussetzung, daß die
Oberfläche dieser Vertiefungen jeweils 40 bis 100 0/o der Oberfläche des Formbodens
beträgt und daß am Scheitel der Vertiefungen mit einer Niederdruckzone in Verbindung
stehende Öffnungen vorgesehen sind, gleich zufriedenstellende Ergebnisse erzielt
werden.