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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verformen einer
ebenen gereckten Bahn aus thermoplastischem Kunststoff interne gewölbte Gestalt
und auf eine Vorrichtung zür Durchführung dieses Verfahrens.
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Zu den neuesten Fortschritten bei der Herstellung von Flugzeugverglasungen
gehört die Entwicklung gewölbter monolithischer Platten- und Bahnmaterialien aus
durchsichtigem Kunststoff. Lineares Recken derartiger Platten unter bestimmten Bedingungen
verbessert ihre Haltbarkeit gegen SZersplittern--und Zerbrechen, und zwar anscheinen
-- auf Grund einer entstandenen- laminaren - -Struktur Auf diese Weise verarbeitetés'Material
ähnelt mit solchen, Eigenschaften demjenigen von aus Bahnen geschichtetem Material,
z. Bt dem herkömmlichen »Sicherheitsglas«, jedoch ohne die Nachtë-ile hinsichtlich
des Gewichts der Schichtstofferzeugnisse. Transparente, gereckte durchsichtige Kunststoffe
bilden ein neuartiges Material, welches besonders zum Gebrauch für Flugzeugverglasungen
geeignet ist, bei denen geringes Gewicht eine äußerst wichtige Rolle spielt.
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Bei bisher allgemein verwendeten Verfahren wurden Bahn- und Plattenmaterialien
aus thermoplastischen Kunststoffen entweder »biaxial«, d. h. in zwei zueinander
lotrechten Richtungen, oder »multiaxial«, d. h. in mehreren lotrechten Richtungen,
die sich von der Bahnmitte radial nach außen hin erstrekken, gereckt. Der Ausdruck
»gereckt« oder ähnliche Bezeichnungen sind hier im Sinne jeder Art dieser Reckvorgänge
zu verstehen. Viele Probleme ergeben sich in Verbindung mit der Herstellung von
gereckten Materialien in einer gewölbten Gestalt, wie sie gewöhnlich bei Flugzeugverglasungen
verlangt wird.
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Bekannt ist ein Verfahren zum Verformen von gereckten ebenen Platten
aus einem thermoplastischen Kunststoff bei Temperaturen, die unterhalb der Erweichungstemperatur
des Kunststoffes liegen, zu haubenförmig gewölbten Formteilen, wobei Wert auf die
Herstellung einfacher Formen gelegt wird und die ebenen Platten gegen die Oberfläche
eines die ; gewünschte Wölbung aufweisenden Formkörpers angedrückt werden. Beim
Herstellen gewölbter Formteile wurde auch die Wölbung durch. freies Formen. einer
am Rand eingespannten Kunststoffplatte erzeugt, wobei die eine Seite der Platte
mit-einem unter Überdruck stehenden Druckmittel beaufschlagt wird. An sich bekannt
ist auch die Herstellung von Sichtscheiben aus warmverformbaren Kunststoffen nach
einem zweistufigen Verformen einer durch Wärme plastisch gemachten Platte, wobei
diese durch Über- oder Unterdruck über das Maß der endgültigen Formung hinaus vorgeformt
wird und anschließend in noch warmem Zustand gegen einen Formkörper von gewünschter
Endgestalt zur Anlage gelangt. Hierbei kann während der zweiten Formungsstufe zwischen
dem über sein Sollmaß hinaus verformten Werkstück und den seine endgültige Gestalt
bestimmenden Formkörper eine Gleitmittelschicht vorgesehen werden, unter deren Zwischenschaltung
sich das Werkstück auf dem Formkörper der Endform anlegt. Auch bei einem anderen
Freiformungsverfahren wurde verschiedentlich die Verformungskraft hydraulisch oder
pneumatisch ausgeübt.
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Ziel der Erfindung ist ein neues Verfahren zum Verformen einer ebenen
gereckten Bahn aus thermoplastischem Kunststoff in eine gewölbte Gestalt, wo-
bei
die Platte zunächst zu einer Gestalt mit bestimmter Wölbung vorgeformt und dann
unter Erwärmen ihres Hauptkörpers auf eine wesentlich unten ihrer Temperatur liegende
Temperatur gebracht wird, worauf dann auf der einen Seite der gereckten und vorgeformten
Platte mit einem flüssigen Mittel ein Differentialdruck zur weiteren Verformung
in einem freien Formungsarbeitsgang bis zur gewünschten endgültigen Gestalt angewendet
wird. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die - Platte gekühlt wird'
während der Differentialdruck des flüssigen Mediums èínwirkt und die Platte in der
neuen Gestalt gehalten wird, wobei die an der Außenseite befindlichen Randabschnitte
der Platte während der Erwärmungs- und Verformungsstufen auf'eine Temperatur gekühlt
werden, die unter derjenigen liegt, bei der ein Schrumpfen eintritt.
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Auf diese Weise gewinnt man verarbeitete Kunststoffe mit Wölbungen
schwierigster Form, wobei trotzdem hervorragende optische Eigenschaften gewährleistet
sind, wie z. B. solche, die für Flugzeugkanzeln u. dgl. verlangt werden Nachstehend
ist das erfindungsgemäße Verfahren an Hand der Zeichnungen erläutert; in denen ist
F i g. 1 eine schematische Aufriß- und Endansicht einer benutzten Apparatur, an
der die Anfangsstufe bei der Durchführung des Verfahrens erläutert wird, F i g.
2 eine schematische Endansicht, welche die zweite'Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens
erläutern, F i g. 3--eine schematische Endansicht der Apparatur, welche die dritte
oder Blasstufe beim Verformen erläutert, Fig 4 eine schematische Seitenansicht der
benutzten Apparatur im Aufriß, F i g. 5 eine perspektivische Ansicht, die ein Teilstück
zeigt, das gemäß der Erfindung unter Benutzung der neuen Apparatur erzeugt ist,
Fig. 6 eine -Querschnittsansicht im wesentlichen nach Linie 6-6 in F i g. 7, Fig.
7 eine Querschnittsansitht im wesentlichen nach Linie 7-7 in F i g. 6, Fig. 8 eine
Teil-Querschnittsansicht im wesentlichen nach Linie 8-8 in -F i g. 6, Fig. 9 eine
Schnittansicht im wesentlichen nach Linie 9-9 in F i g. 8, F i g. 10 eine perspektivische
Ansicht des Einspannrahmens der Apparatur, Fig. 11 eìne Schnittansicht im wesentlichen
nach Linie 11-11 in Fig. 6 und Fig. 12 eine schematische Teilansicht, die eine abgewandelte
Form der Apparatur zeigt.
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An Hand der Zeichnungen ist das Verfahren nach der Erfindung.' bei.
der Herstellung eines Abschnitts einer Flugzeugkanzel mit zusammengesetztem Wölbungsumriß
beschrieben. Die Apparatur hat eine Form 15, die durch Stege 16 abgestützt ist.
Der Formkörper hat eine feste Bodenwandung 17, allgemein von rechtwinkliger Gestalt,
sowie Stirnwände 18 und 19 von im allgemeinen halbkugeliger Gestalt.
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Die bauliche Starrheit der Form erhält man durch Anordnung von Zwischenstücken
18 a und I-Trägern 18 b. Um die Umfangslinien der Endwände 18 und 19 und die Seiten
der Bodenwandung erstreckt sich ein Formenteil 20, dessen Außenoberfiächen in einer
einzigen zylindrischen Rotationsfiäche liegen.
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Für die Form sind Kühleinrichtungen vorgesehen, die, wie aus den
Zeichnungen hervorgeht, den Kühlmittelraum
32 aufweisen, der mit
dem Formenbauteil 20 in Verbindung steht und diesen berührt und der sich ununterbrochen
um den ganzen, durch den Formenteil gebildeten Bereich erstreckt. Wasser oder ein
anderes Kühlmittel wird ununterbrochen durch den Mantel 32 (Kühlmittelraum) über
die Einlaß-und Auslaßleitung 33 bzw. 34 und durch die Pumpe 35 zugeführt, wobei
das Kühlmittel aus dem Vorratsbehälter 36 entnommen und im Turm 37 gekühlt wird.
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Man erkennt, daß die gesamten an der Außenseite befindlichen (peripheren)
Randabschnitte der Platte durch Berührung mit einer wassergekühlten Oberfläche gekühlt
und bei einer Temperatur unter dem Siedepunkt des Wassers, d. h. 1000 C, und auch
unterhalb derjenigen Temperatur gehalten werden, bei der ein Schrumpfen der gereckten
Platte auftritt.
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Die Form oder das Formwerkzeug bildet mit dem zu verformenden Teil
100 ein Druckgefäß. Es sind Einrichtungen zum Zuleiten von Luft oder einer Flüssigkeit
unter Druck zum Inneren der Form für den Blasvorgang vorgesehen. Wie zu erkennen
ist, können diese Ausrüstungen die Einlaßleitungen41 für Niederdruckluft, die in
die Endwand 19 zuführt, und eine Luftablaßleitung 42, die von ihr wegführt, umfassen.
Man ordnet vorzugsweise eine Luft-Leitvorrichtung an, die aus dem mit einer Öffnung
in der Endwand 19 verbundenen Gewebeteil 43 bestehen kann, um die eintretende Luft
zu zerstreuen und Luft-Stoßwellen oder Luftströme hohen Druckes zurückzuhalten,
die sonst auf den zu verformenden Teil auftreffen könnten.
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Zum Halten des zu verformenden Teils an seinem Platz auf der Form
während der Verarbeitung dienen Apparateteile, zu denen eine Vielzahl von bekannten
Halteklemmen 50 gehört. Während des Blasvorganges werden diese Haltevorrichtungen
durch einen Stahlklemmring oder -rahmen 51 verstärkt, der so gestaltet ist, daß
er dicht auf den Außenoberflächen des gesamten Formenbauteils 20 aufsitzt. Es sind
Verschlußmittel zur Verhinderung eines Auslasses von Luft oder des Aussickerns einer
Druckflüssigkeit aus dem Apparat während des Blasvorganges vorgesehen. Wie aus den
Zeichnungen ersichtlich ist, kann zu diesen Mitteln eine aufblasbare Gummi-oder
gummiartige Abdichtung 55 gehören, die in einer ununterbrochen um den Formenteil
20 verlaufenden Aussparung gelagert ist. Dem aufblasbaren Verschluß wird Hochdruckluft
durch die Leitung 56 zugeführt.
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Vorzugsweise benutzt man während des Verformungsvorganges einen Hilfs-Form-
und Haltering 60.
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Dieser ist starr aber mittels Befestigungsarmen 61 lösbar mit der
Form verbunden und mit einer Innenoberfläche versehen, die mit einem fortlaufenden
Abschnitt des zu verformenden Teils in Berührung gebracht wird und der die Gestalt
der Kontur dieses Abschnitts des fertigen Teils gegeben ist.
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Oft ist es während des Blasvorganges erwünscht, die Erwärmungsgeschwindigkeit
der zu verformenden Platte über vorbestimmte, lokalisierte Bereiche von ihr zu variieren.
Zu einem solchen Wärmeregelungsteil gehört eine Wärmesperre, die aus einer Stofidecke
65 besteht, die von der zu verformenden Platte abliegt. Bei der gezeigten Ausführungsform
hat sie eine mittige Öffnung 66, die einen nicht abgeschirmten Bereich für die unmittelbare
Anlieferung von Wärme zum zentralen Abschnitt des dem Verformungsvorgang ausgesetzten
Teils bildet.
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Bei Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung wird die Form
vorzugsweise vorerwärmt, um die gesamte Formmasse auf die gewünschte Formgebungstemperatur
zu bringen. Hierfür sind mehrere Stunden erforderlich. Vorzugsweise wird auch die
ebene gereckte Platte 100 vorerhitzt. In einigen Fällen wünscht man deren Vorwärmung
auf ihre anfängliche Formtemperatur. Für beste Ergebnisse soll die Platte, während
sie eben ist, bei dieser Temperatur nicht während so langer Zeit gehalten werden,
die für das Bewirken wesentlicher Schrumpfung genügt. Im allgemeinen genügt die
Vorwärmung der ebenen Platte bei einer Temperatur und so lange, daß nur ihre Oberflächen
warm werden, d. h. lediglich zur Vermeidung irgendwelcher Rißbildung an der Materialoberfläche
während des Verformungsvorganges. In diesem Fall verbleibt der HauptteiI der Platte
praktisch auf Raumtemperatur.
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In der ersten Verfahrensstufe (F i g. 1) wird die gereckte Platte
100 auf die Form oder das Formwerkzeug 15 gelegt. Die zweite Stufe geht aus F i
g. 2 hervor, nach der Form und Platte in einen Ofen 110 mit Luftzirkulation eingeschoben
wird. In diesem Punkt wird der Ofen vorzugsweise auf der gewünschten anfänglichen
Verformungstemperatur gehalten, d. h. auf einer Temperatur bei oder wenig über derjenigen
Temperatur, bei der die »Schrumpfung« einsetzt, wie dies bei dem genannten bekannten
Verfahren offenbart ist. Für ein gerecktes Polymethylmethacrylat beträgt diese Temperatur
etwa 1010 C.
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Der Teil wird dann mechanisch verformt, d. h., er wird gewölbt, oder
- wie durch die strichpunktierten Linien in Fig. 2 angedeutet ist - aus der ebenen
Beschaffenheit in einen allgemein zylindrischen Zustand gedrängt, so daß die Peripherie
der Platte alle Außenoberflächen des Formteils 20 berührt, und zwar vorzugsweise
bevor der gesamte Körper dieses Teils die gewünschte anfängliche Verformungstemperatur
erreicht hat. Es besteht auch die Möglicbkeit, den anfänglichen Formgebungsvorgang
durchzuführen, solange der ganze Teil kalt ist, d. h. bei Raumtemperatur. Ein solches
anfängliches »Kalt«-formen muß aber sehr sorgfältig vorgenommen werden und vorzugsweise
nur bei Teilen, die mit Bezug auf den Radius der Wölbung der geformten Umfangsform
dünn sind.
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Diese mechanische Verformung erfolgt vorzugsweise von Hand mit relativ
geringen aufeinander: folgenden Steigerungen, um eine Beschädigung der Platte zu
vermeiden, und führt zur Erzeugung von Spannungen in der Platte wie bei dem bekannten
Verfahren. Ist erst einmal die zylindrische Gestaltungsform erreicht, dann werden
die Einspannteile 50 angeordnet (bei dieser Stufe ohne den Klemmring 51), und das
Erwärmen wird fortgesetzt, um die Spannungen zu beseitigen und den Teil in der gebildeten
Gestalt »festzulegen«, wie dies mehr im einzelnen als bekannt dargelegt worden ist.
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Das Formwerkzeug und sein Teilstück werden dann aus dem Ofen herausgenommen,
gekühlt, die Einspannteile entfernt, dann der Klernmring 51, der Hattering 60 und
die Wärmesperre, die aus einer Stoffdecke 65 besteht, angebracht und die Klemmen
wieder angeordnet. Form und Teilstück werden dann wieder in den Ofen zum Erwärmen
auf die zweite (Blas-)Temperatur eingebracht. Diese kann beträchtlich höher als
die kritische Formanfangstemperatur sein, da das sonst möglicherweise auftretende
Schrumpfen
durch den während des Blasens benutzten inneren Luftdruck verhindert wird.
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Tatsächlich genügt dieser Druck, das Wölben des Stückes zur gewünschten
nichtzylindrischen Gestaltungsform hervorzurufen. Die wirkliche zweite Formgebungstemperatur
muß unter der normalen Formgebungstemperatur des benutzten besonderen Materials
gehalten werden. Um aber die Anwendung zu großer Drücke zu vermeiden und die Leck-
oder »Ausblase«-Gefahr auf ein Mindestmaß herabzusetzen, soll sie hoch wie nur möglich
sein. Allgemein soll die zweite Formungstemperatur niedriger als etwa 11°C unter
der niedrigsten normalen Temperatur der thermoplastischen Verformung des verwendeten
Materials liegen, vorzugsweise unter etwa 160 c unter solcher Temperatur. Für ein
vorher erwähntes Polymethylmethacrylat beträgt die bevorzugte zweite Formgebungstemperatur
etwa 1320 C.
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Die niedrigste anwendbare Temperatur hängt von dem zu verformenden
Teilstücktyp ab; aber es wurden Temperaturen bis herunter zu 1150 C für das Verformen
des genannten Polymethylmethacrylats angewendet. Derartig niedrige Temperaturen
erforderten aber lange (mindestens 16stündige) Erwärmungsperioden.
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Den Innenluftdruck von etwa 0,35 bis 1,05 kg/cm2 läßt man vor und
während des Erhitzens einwirken, und während dieser Zeit wird der Druck in dem aufblasbaren
Verschluß, d. h. der Abdichtung, wie auch die Zirkulation des Kühlmittels durch
den Mantel 32 aufrechterhalten. Form und Teilstück werden der Temperatur des zweiten
Verformungsvorganges genügend lange ausgesetzt, bis das Stück auf die gewünschte
Formgestalt gebracht worden ist.
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Selbstverständlich ist die Kühlstufe zwischen dem anfänglichen und
zweiten Verformungsvorgang nicht ein wesentliches Merkmal des Verfahrens nach der
Erfindung, sondern dieses wird allein durch die Werkzeugart, besonders die Art der
benutzten Einspannung bestimmt. Das Verfahren kann ohne automatische Verarbeitungssysteme
durchgeführt werden, was eine solche Kühlstufe unnötig machen würde.
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Nach Wölben des Teilstückes auf die gewünschte Kontur, deren man
sich vorzugsweise mittels einer Lehre 120, die über der Form angeordnet wird, vergewissert,
werden Form und Teil aus dem Ofen herausgenommen, und man läßt sie abkühlen. Der
fertige Teil (F i g. 5) wird dann beschnitten, um die zylindrischen Enden und Seitenabschnitte
zu entfernen, und wird dann in üblicher Weise zwecks Einbaus in -ein FIugzeug weiter
bearbeitet.
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Die folgenden Beispiele dienen zur Erläuterung der Erfindung, sollen
aber diese nicht auf die in ihnen angeführten Einzelheiten beschränken.
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Beispiel 1 Ein vorderer Kanzelabschnitt wurde wie folgt aus einem
Rohstück aus gerecktem Polymethylmethacrylat gebildet, das 181,2 cm lang, 181,2
cm breit am Vorderende, 199,3 cm breit am hinteren Ende und 9,169 mm dick war.
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Die Form 15 und die flache Platte wurden 2 Stunden in den Ofen nach
F i g. 2 bei einer Ofen temperatur von 1010 C eingebracht. Bei dieser Temperatur
wurde die Platte langsam von Hand in die zylindrische Form gedrückt und an die Form
geklammert. Das Erhitzen bei 1010 C wurde noch
zusätzliche 2 Stunden fortgesetzt
und dann die Form und der zylindrische Teil aus dem Ofen herausgenommen und auf
die Umgebungstemperatur abgekühlt, während der Teil im eingespannten Zustand verblieb.
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Dann wurde die Ofentemperatur auf 1260 C festgelegt, und es wurden
die Klemmen gelöst, um die Befestigung des Einspannringes 51, des Halteringes 60,
der Deckenabschirmung 65 und der Lehre (Schablone) 120 zu ermöglichen. Zum Erreichen
der gewünschten Anwärmungsgeschwindigkeit verschiedener Bereiche des Teiles umfaßte
die Wärmesperre zwei Flanellschichten an den Seiten und an den vorn-und limtenliegenden
Enden des Teils.
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Es wurde ein Luftdruck von 0, 21 kg/cm2 auf das Innere der Form und
die Innenseite der eingespannten zylindrischen Platte, sowie ein Luftdruck von 4,9
kg/cm2 auf die aufblasbare Abdichtung ausgeübt.
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Die Wasserzirkulation wurde angeschlossen und der Formenaufbau in
den Ofen gestellt. Während der ersten annähernd 20 Minuten ließ man den Blasdruck
auf 0,42 kg/cm2 und nach etwa einer Stunde auf 0,878 kg/cm2 ansteigen. Das langsame
Ansteigenlassen des Druckes in aufeinanderfolgenden Zunahmen, wobei jede Druckerhöhung
etwa 15 Minuten in Anspruch nahm, ist eine wichtige Maßnahme im Verfahrensgang,
da diese die Gefahr einer Beschädigung der Platte durch Platzen oder durch das plötzliche
Anschwellen durch Kaltluft auf ein Mindestmaß herabsetzt. Das Teilstück war insgesamt
3 Stunden und 5 Minuten im Ofen, die durchschnittliche Ofentemperatur betrug 1310
C. Dem Teil wurde dadurch die gewünschte Gestalt gegeben, worauf der Apparat aus
dem Ofen genommen und auf Raumtemperatur abgekühlt wurde. Dies dauerte etwa 45 Minuten,
während die Bedingungen des Luftdruckes, der Wasserkühlung und der Einspannung dieselben
wie beim Aufblasvorgang waren. Der Teil wurde dann aus der Form entfernt, die zylindrischen
Enden und Seiten weggeschnitten und dann entsprechend herkömmlicher Praxis weiter
verarbeitet.
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Beispiel 2 Dieser Teil gehörte zu dem geformten Teil des Beispiels
1, und war ein Kanzelaußenabschnitt, gebildet aus einem Rohstück von einem anderen
Polymethylmethacrylat mit einer Länge von 132 cm, einer Dicke von 6,420 mm und am
Vorderende 182,4 cm und am Hinterende 167,6 cm lang.
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Die Anfangsverformungstemperatur war die gleiche wie im Beispiel
1, mit der Ausnahme, daß die Gesamtzeit im Ofen 3 Stunden betrug und das Verformen
nach 1t/2 Stunden bei der Temperatur von 1010 C begann.
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Der Blasvorgang war derselbe wie im Beispiel 1, mit der Ausnahme,
daß der Zuwachs des Blasdruckes 0,21, 0,35, 0,56 und 0,70 kg/cm2 und die Gesamtzeit
bei der Temperatur von 1310 C 1 Stunde und 45 Minuten betrugen.
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In F i g. 12 ist eine abgewandelte Ausführungsform des Formwerkzeuges
gezeigt. Diese Konstruktion ist im allgemeinen dieselbe wie vorher beschrieben,
wobei sie ein Formenbauteil 20 a und einen Einspannring 51 a einschließt. Hier wird
aber nicht eine aufblasbare Dichtung benutzt, sondern die Kunststoffplatte 129,
die verformt wird, ist an den Formenbauteil mittels einer Abdichtung befestigt,
die ein Gewebe aus mit Neopren imprägniertem Polyamidstoff
130
und eine Klebstoffschicht von Zinkchromat 131 aufweist. Außerdem wird an Stelle
des KühI-mittelmantels ein Gelege aus Faserisoliermaterial 140, eingehüllt in einer
Aluminiumfolie 141, benutzt.
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Wenn auch das Verfahren gemäß der Erfindung im besonderen Zusammenhang
mit dem Formen von Acrylkunststoffen beschrieben wurde, so läßt es sich selbstverständlich
auf alle thermoplastischen Kunststoffe anwenden, die, wie z. B. Polystyrol, gereckt
werden können.