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Verfahren zur Verformung von Platten oder dgl. aus thermoplastischem
Kunststoff und Vorrichtung zur Durchfiihrung des Verfahrens Die vorliegende Erfindung
betrifft ein Verfahren zur Verformung von Platten od.dgl. aus thermoplastischem
Kunststoff zwecks llerstellung von Behältern, Gefäßen oder anderen llohlformen,
wobei das Werkstiick mittels eines Stempels einer Zug- Druck -Utnio,liung unterworfen
wird. Die Erfindung ist ferner auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
gerichtet.
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Bisher werden Hohlkörper aus thermoplastischen Kunststoffen hauptsächlich
im Spritzgußverfahren hergestellt. Es ist auch bekannt, llohlkörper aus thermoplastischen
Platten oder Folien nach Erwärmung bis an oder iiber den Erweichungspunkt durch
pneumatische Verfahren oder mittels Werkzeugen umzuformen. Die Ausbeute dieser Verfahren
lhßt zu wiinschen iibrig; insbesondere ist die Ausbringung im Vergleich zu dem
Verfahren
der Blechumformung gering. Das Aufheizen und Abkühlern der Kunststoffmasse erfordert
relativ viel Zeit.
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Der Werkzeug- und Maschinenaufwand ist hoch, da Spezialeinrichtungen
gebraucht werden. Außerdem ist fiir die Erwirkung sehr viel Energie erforderl ich.
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Diese Nachteile sind insbesondere bei Tiefziehverfahren augenscheinlich,
wie sie in der deutschen Patentschrift 1 o6t3 005 und in weiteren Patentschriften
beschrieben sind. ei dem Verfahren nach der genannten Patentschrift wird eine Platte
aus thermoplasti-schem Kunststoff im plastifizierten Zustand gespannt, und zwar
im freien 1laum von Kante zu Kante der Ziehwerkzeuge, an welchen die Platte nicht
flächenhaft anliegt. Die Werkzeuge bestehen aus zueinander verschiebbaren Hohlrahmen,
welche richtungsgebende Kanten enthalten, aber im übrigen nicht mit dem herzustellenden
I1ohlkörper übereinstimmen. Der Ausgangswerkstoff muß im plastifizierten Zustand,
d.h. auf einer Temperatur nahe oder über dem Erweichungspunkt sein, damit das Verfahren
iiberhaupt durchführbar ist und formbeständige Erzeugnisse liefert. Die bleibende
Form ergibt sich erst durch das Erkalten des Kunststoffes. Das Verfahren erfordert
somit einen beträchtlichen Zeitaufwand und birgt außerdem die Gefahr von unerwiinschten
Formänderungen in sich.
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Die französische Patentschrift 1 253 044 beschreibt eine Vorrichtung
fiir die Formung flächiger Kunststoffkörper zu Hohlkörpern. Diese Vorrichtung weist
einen Stempel auf, der den Kunststoff-Rohling trägt, gegen den ein Ziehring bewegbar
ist. Auch hierbei mu# die Kunststoffmasse vor der Formung erwärmt werden, tind es
ist deshalb im Inneren des Stempels eine Kiihlschlange vorgesehen, die
eine
übermä#ige Erwärmung der Stempelform bei der Serienfertigung verhindern soll. Konstruktions-
tlnd Zeitaufwand sind infolgedessen auch bei dem Arbei ten mit dieser Vorrichtung
sehr grob, ohne daß vol3 e Gewähr fiir Formbeständigkeit der Erzeugnisse bestijnde.
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In der USA-Patentschrift 2 911 681 ist eine typische Gestaltung von
Werkzeugen dargestellt, mit denen die Formung von Kunststoffplatten herkömmlicher
Weise durchgeführt wird. Zwischen einem Ziehring und einem Stempel besteht eine
lichte Weite, die größer ist als die Wandstärke des Kunststoffmaterials vor dem
Ziellell.. Der im heißen Zustand gezogeiie Kunststoff benötigt eine gewisse Abkühlzeit
und darf währenddessen keinen auf ihn einwirkenden Kräften ausgesetzt werden. Es
ergeben sich damit die bereits erähnten Nachteile.
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Gemäß dem Verfahren itacil der deutschen Patentschrift 4 o84 020
hat man versucht, folienförmigem Kunststoffmaterial nur im Bereich der Einziehstelle
in den Ziehspalt Warme zuzufiihren. Auch dabei ist aber noch eine Aufheiz-und Abkühlzeit
erforderlich. Die Vorrichtung ist aufwendig und das Erzeugnis nicht mit Sicherheit
formbeständig.
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Fjjr größere Wandstärken ist ein derartiges Verfahren überdies ungeeignet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten Verfahren
zu vermeiden und ein Verfahren sowie eine zu seiner Durchfiihrung geeignete Vorrichtung
zu schaffen, womit eine Steigerung der Ausbringung bei der Fertigung von Hohlkörpern
aus Kunststoff möglich und der Aufwand fiir Maschinen und Werkzeuge auf ein Minimum
beschränkt ist,
während zugleich die Formbeständigkeit der Erzeugnisse
verbessert wird.
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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ohne Vorwärmen des Werkstiickeslbzw. ohne Wärmezufuhr
von außen der Umformung eine Wandstärkenreduktion iiberlagert wird.
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Mit dieser Maßnahme erreicht man eine Anzahl von Vorteilen. Das Verfahren
ist für alle Zug-Druck-Umformungen anwendbar, wie z. B. Tiefziehen im Anschlagzug
und Weiterschlagzug, Formprägen, Durchziehen, Randhochstellen usw. Dabei können
einfach gestaltete Werkzeuge verwendet werden. Der Konstruktions- und Zeitaufwand
für die Fertigung ist gering, und die erzeugten Körper sind außerordentlich formbeständig.
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Gerade diesem letzteren Punkt kommt besondere Bedeutung zu. Versucht
man nämlich zwecks Energieeinsparung, die iiblichen Verfahren der Zug-Druck-Umformung
ohne Erwärmung bis zum Erweichungspunkt der Kunststoffe durchzuführen, so entstehen
wohl bei Verlassen des Werkzeuges noch formgetreue Körper. Unmittelbar danach nähern
diese sich jedoch mehr oder weniger wieder der Ausgangsform des Werkstückes an.
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Beispielsweise wird bei tiefgezogenen zylindrischen Näpfen der Durchmesser
größer, die nach dem Umformen zunächst zylindrische Wand nimmt konische Gestalt
an und der Radius am Ubergang von Wand zu Boden wird größer. Bei allen auf diese
Weise hergestellten Werkstücken ist eine als Imemory-Effekt" bezeichnete Speicherwirkung
oder Nachwirkung zu beobachten, als dessen Folge die Werkstücke
ihre
Gestalt nach der Verformung mehr oder weniger an die Form des Ausgangswerkstückes
annähern, also der Platine. Dieser Effekt ist praktisch unabhängig von der verwendeten
Werkzeugform, von den Einlauf-Verhältnissen, den aufgewendeten Drücken, der Verformungsgeschwindigkeit
und dem Schmiermittel. Umfangreiche Versuche haben überraschenderweise ergeben,
daß der "memory-Effekt" erst und nur dann verschwindet, wenn der Umformung eine
Wandstärkenreduktion überlagert wird.
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Weil Umformung und Wandstärkenreduktion des Werkstückes ohne Wärmezufuhr
von außen vorgenommen werden, hat man abgesehen von der um ein Vielfaches höheren
Stückzahl je Zeiteinheit insbesondere bei großflächigen Hohlwaren-Werkstücken gegenüber
den thermischen Umformverfahren noch einen weiteren großen Vorteil. Bei letzteren,
also z.B. beim Vakuum-Tiefziehen oder bei der Warmumformung in Werkzeugen. kommt
der Werkstoff im gesamten umzuformenden Bereich zum Fließen. Infolgedessen sind
Wandstärken und Bodendicften etwa gleich. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren tritt
die Wandstärkenabnahme nur in der Verformungszone auf; ebene Bodenflächen, die keiner
Verformung unterliegen, können die Ausgangsdicke des Materials beibehalten. Dadurch
wird insbesondere bei großflächigen Werkstücken eine größere Stabilität erreicht.
Gleichzeitig werden beträchtliche Energiemengen eingespart.
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Bei einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßeii Verfahrens ist vorgesehen,
daß Umformung und Wandstärkenreduktion gleichzeitig durchgeführt werden. Es ist
aber auch möglich, Umformung und Wandstärkenreduktion zwar in einem
Arbeitsgang,
jedoch in wenigstens zwei Werkzeugteilen nacheinander durchzuführen. Welche der
beiden Möglich keiten man wählt, hängt von Art und Abmessungen des zu erzeugenden
Körpers ab. Ilariiberhinaus kann die Wahl durch das Verhältnis der Menge herzustellender
Körper zu den Werkzeugkosten beeinflußt werden.
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Ein wichtiges Merkmal der Erfindung sieht vor, daß die verwendeten
Werkzeuge bei entsprechender nemessung im wesentlichen so aufgebaut und ausgefiihrt
sind wie die fiir die Blechverformung iiblichen Werkzeuge.
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Durch die erfindungsgemäße Beseitigung des "memory-Effekts" bei der
kalten Umformung thermoplastischer Kunststoffplatten in Hohlkörper wird es möglich,
mit konventionellen Maschinen und einfachen Werkzeugen dieselbe Ausbringung zu erzielen
wie bei der Umformung von metallischen Werkstoffen, insbesondere Blechen. Dabei
ist es durchaus möglich, bei entsprechender Abstimmung der Material stärken der
zu verarbeitenden Werkstoffe in ein und demselben Werkzeug Metallbleche und Kunststoffplatten
zu pfeilen umztiformen, die in ihren Plauptabmessungen gleich sind.
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Indem in weiterer Ausgestaltung der Erfindung wenigstens zwei Platten
gleichzeitig in das Werkzeug eingelegt und verformt werden, kann die Fertigungsgeschwindigkeit
noch stark gesteigert werden. Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, daß die Platten
mittels kombinierter Werkzeuge aus Streifen geschnitten oder in Streifen freigeschnitten
und umgeformt werden. Es können auch an die Umformung n an sich bekannter Weise
Schnittoperationen angeschlossen werden. Mit Schnittzugwerkzeugen können gleichzeitig
fiir
ein oder mehrere Teile die Platinen ausgeschnitten und im gleichen
Arbeitsgang zu liohlkörpern umgeformt werden.
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Es ist auch möglich, die Platinen für ein oder mehrere Teile im Folgewerkzeug
freizuschneiden, umzuformen und durchzubrechen. Die dabei erzielte Ausbringung ist
um ein Vielfaches höher als bei den bisher üblichen thermischen Verfahren. Wegen
der geringen Formänderungsfestigkeit der Kunststoffe liegen die dabei auftretenden
Kräfte weit unter denen der vergleichbaren Blechumformverfahren; die erforderlichen
Werkzeuge und Maschinen können deshalb wesentlich leichter ausgeführt sein.
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In weiterer Spezialisierung der Erfindung ist vorgesehen, daß das
umgeformte und gegebenenfalls geschnittene Werkstück in an sich bekannter Weise
einer Formprägung unterworfen wird. Aucii bei ohne äußere Wärmezufuhr tiefgezogenen
und anschließend formgepreßten Teilen, z. B.
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Abteilplatten, verschwindet der"memory-Effekt", sobald die Werkzeuge
fiir das Tiefziehen und Formprägen so ausgelegt sind, daß bei der Umformung die
Wandstärke in den senkrechten bzw. schrägen Wänden gegenüber der Ausgangsdicke des
Materials verringert wird.
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Bei einer Vorrichtung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens
mit einer llalteeinrichtung für die Platte in einem Werkzeug und mit einem Stempel
ist erfindungsgemaß vorgesehen, daß das Werkzeug wenigstens ein liohlelement aufweist,
dessen lichtes Innenmaß zu dem AuXenmaß des äquidistant eingreifenden Teils des
Stempels einen Spalt von einer Breite freiläßt, die kleiner ist als die Wandstärke
der nicht verformten Platte.
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Diese Werkzeuge können so ausgebildet sein, wie das bei der Blechumformung
üblich ist. An Werkstoffe und Oberflächenbeschaffenheit werden keine gesteigerten
Anforderungen gestellt, zumal eine Verarbeitung des Kunststoffmaterials bei erhöhten
Temperaturen nicht notwendig ist. Demzufolge entfallen auch lieizeinrichtungen jeglicher
Art, und eine bei sehr hohen Fertigungsgeschwindigkeiten unter Umständen wünschenswerte
Kühleinrichtung kann auf die Abfuhr der Verformungswärme beschränkt werden.
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Eine Ausgestaltung dieser Vorrichtung besteht darin, daß das Hohl-Element
als Ring ausgebildet ist und daß die IIalteeinrichtung aus Aufnahmen und einem Niederhalter
sowie wenigstens einem als Ziehring ausgebildeten Zwischenring besteht, welcher
dem Ring vorgeschaltet ist. Mit einer derartigen Vorrichtung ist es möglich, Umformung
und Wandstärkenreduktion des Werkstückes in einem Arbeitsgang, jedoch in wenigstens
zwei Stufen nacheinander durchzuführen. Eine Tiefzieh-Vorrichtung dieser Art ist
nicht nur bei der Verformung von Werkstücken mit größerer Materialdicke vorteilhaft,
sondern beispielsweise auch für Platten mit einer Dicke von 1 mm und darunter geeignet.
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Eine andere Ausbildung der Vorrichtung sieht vor, daß die Jialteeinrichtung
einen Schnittstempel umfaßt, in welchem der Stempel beweglich ist, an dessen Vorderteil
mit dem Außenmaß eine Abscherkante anschließt, deren Abmessung dem Innenmaß des
lloh=Elementes entspricht. Ein solches kombiniertes Schnittzug-Schnittwerkzeug eignet
sich
insbesondere für die Verarbeitung von thermoplastischen Kunststoffen zu zylindrischen
Behältern.
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Noch eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
besteht darin, daß das Jfohl-Element als Prägeform und der Stempel als Prägestempel
ausgebildet ist. Es ist also auch das Formpräge-Werkzeug so ausgelegt, daß bei der
Umformung die Wandstärke des Ausgangsmaterials in den senkrechten bzw. schrägen
Wänden herabgesetzt wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung von Ausfiihrungsbeispielen anhand der Zeichnung. Darin zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein kombiniertes Werkzeug einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung, Fig. 2 einen Länei sschnitt durch einen nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellten zylindrischen Napf, Fig. 3 einen Schnitt Jurch ein kombiniertes
Werkzeug einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig.
4 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform des Werkzeuges einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung, und Fig. 5 einen Schnitt durch noch ein anderes Werkzeug einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung Eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist mit einem
Werkzeug nach Fig. 1 versehen. Die Oarstellung läßt ein urspriinglich plattenförmiges
Werkstiick 1 erkennen,
Sas bereits eine gewisse Verformung erfahren
hat. Das Werkstück 1 ist zwischen einem Niederhalter 2 und einem Zwischenring 3
gehalten, der als erster Ziehring ausgebildet ist. Der Niederhalter 2 bringt eine
bestimmte Niederhaltekraft auf, um die Vermeidung von Falten zu gewährleisten. Unter
dem Zieh- bzw. Zwischenring 3 liegt eine Ringeinlage 4, die ihrerseits auf einen
lting 5 aufgelegt ist. Für die halterung von Zwischenring 3, iingeinlage 4 und Ring
5 dient eine entsprechend gestaltete Aufnahme 6.
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Der Niederhalter 2 ist mittels einer Aufnahme 7 an dem schematisch
angedeuteten Pressenoberteil befestigt. Die Umformung erfolgt mittels eines Stempels
9. Beim Umformvorgang wird am Boden 8 des Stempels 9 die Ziehkraft in die noch ebene
Platine bzw. in das Werkstück 1 eingeleitet.
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Durch die Bewegung des Stempels 9 in Pfeilrichtung wird die Platine
iiber den Einlaufradius 10 des Zwischenrings 3 in einen Napf umgeformt. nei weiterem
Eintauchen des Stempels 9 wird die Wandstärke des Werkstückes 1 an der Schulter
11 des Ringes 5 reduziert. Nach Beendigung des Umformvorganges wird das Werkstück
1 beim Hücklauf des Stempels 9 durch den Ring 5 oder einen nicht dargestellten Abstreifer
abgestreift.
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Der mit einer Vorrichtung gemä#Fig. 1 erzielte Fortschritt wird durch
Vergleich mit den herkömmlichen Vorrichtungen bzw. Arbeitsverfahren deutlich. Wird
z.B. eine Ronde aus ABS-Kunststoff oder Polyamid in einem Ziehwerkzeug mit üblichem
Ziehspalt hergestellt, der etwa 1, 1 mal
so breit ist wie die Materialdicke,
so entsteht ein Napf, dessen oberer Durchmesser nach der Umformung sehr rasch zunimmt
und dessen Radius sich am Übergang vom zylindrischien Teil zum Napfboden sehr stark
vergrößert. Wird dieselbe Platine im gleichen Werkzeug mit verengtem Ziehspalt tiefgezogen,
dessen Breite beispielsweise ungefähr gleich dem 0,75-fachen der Materialstärke
ist, oder wird dem ersteii Zwischenring 3 ein Ring 5 mit verkleinertem Ziehspalt
nachgeschaltet, so entsteht beim Durchziehen ein Napf, dessen oberer Durchmesser
den Werkzeug abmessungen entspricht. Die Wandstärke im zylindrischen Teil des Werkstjjckes
1 wird dabei auf die Ziehspaltweite des Hanges 5 mit verkleinertem Ziehspalt verringert.
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Fig. 2 zeigt einen in dieser Weise hergestellten zylindrischen Napf.
Das Werkstück 1 hat einen Boden 12, dessen Wandstärke 5 in der Größenordnung der
Ausgangs-0 dicke des Materials liegt, wahrend die Dicke s der Wand 13 infolge der
dem Tiefziehen überlagerten Wandstärkenreduktion etwas dünner ist. Dies bewirkt
insbesondere bei großflächigen Werkstücken 1 eine größere Stabilität bzw.
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Standfestigkeit.
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Eine andere Ausführungsform eines Werkzeuges für eine erfindungsgemäße
Vorrichtung ist in Fig. 3 dargestellt. Sie zeigt einen Schnitt durch ein kombiniertes
Schnittzug-Schnittwerkzeug, in dem ein Streifen 14 aus thermoplastischem Kunststoff
von Führungsleisten 15 geführt ist und beim Stempelhochgang durch einen Schnittstempel
16 abgestreift wird. Nach Beendigung des Schnittvorganges
wirkt
der Schnittstempel 16 zugleich als Niederhalter; er hält die Randzone 17 des Werkstückes
1 während der Umrormoperation auf einem Ring 18 nieder.
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Dieser Ring 18 ist in üblidher Weise mit einem Einlaufradius 19 auegeführt.
Zur Verformung dient ein Stempel 20, der an seinem vorderen Ende verjüngt ist, so
daß der Spalt zwischen dem Ring 18 und dem Stempel 20 der um die erforderliche Reduktion
verringerten Materialstärke entspricht. Am oberen Teil 21 des Ziehetempels 20 entspricht
der Durchmesser der Bohrung des Ringes 18.
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Nach dem Ausschneiden der Platine durch den Schnittstempel und Niederhalter
16 wird beim Niedergang des Stempels 20 die ebene Platine in einen Napf umgeformt,
wobei gleichzeitig die Wandstärke des zylindrischen Teils verringert wird. Nach
Beendigung des Umformvorganges quetscht eine Abscherkante 22 des Stempels 20 das
Werkstück 1 ab.
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Es erhält auf diese Weise einen ebenen oberen Rand.
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Beim Hochgang des Stempels 20 wird das Werkstück 1 von einem nicht
dargestellten Ausstoßer abgeworfen. Dieser kann z.B. in an sich bekannter Weise
als gefederter Auswerfer ausgebildet sein; es ist aber auch möglich, das Absto#en
des Werkstückes 1 mittels Preßluft zu bewirken.
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Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Werkzeug einer erfindungsgemä#en
Vorrichtung. Das Werkzeug ist hjer als Ziehwerkzeug zur Harstellung einer Abteilplatte
ausgebildst. Es besteht aus einem Niederhalter 2, ebene ziehrang 3 und einem Stempet
9 entsprechend der obeo beschriebenen Ausführung, @ie Schrgteile des Werkzeuges
@ind in der Weise bemessen. da@ in ein und derselben
Höhe der Durchmesser
b des Stempels 9 um den Ziehspalt kleiner ist als der Durchmesser D des Ziehringes
3. Die halbe Differenz D-d entspricht dem Ziehspalt, welcher kleiner ist als die
Ausgangsdicke des Werkstückes 1, die am Boden im wesentlichen unverändert beibehalten
ist. Durch die Wandstärkenreduktion in den Schrägen der Abteilplatte wird rascheeine
hohe Formstabilität erzielt.
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Im Anschluß an den Ziehvorgang mittels eines Werkzeuges gemäß Fig.
4 kann eine Formprägung mit einem Werkzeug nach Fig. 5 durchgeführt werden Dies
dient zum Fertigprägen einer vorgezogenen Abteilplatte.
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Zur Erreichung einer guten Formstabilität des Randes 23 wird die Wandstärke
des umlaufenden, hochgestellten Randes 24 beim Formprägen ebenfalls herabgesetzt.
Der Unterschied zwischen der Wandstärke 5 im schrägen Teil 25 und der Wandstärke
0 in Boden ist je nach dem zu verarbeitenden Kunststoff und der Form des Werkstückes
1 festzulegen.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen
beschränkt. Wesentlich ist die Überlagerung einer Wandstärkenverringerung zu der
Umformung ohne äußere Wärmezufuhr, so daß sowohl eine spontane elastische Ruckfederung
als auch eine elastische Nachwirkung (Relaxation) die Form des hergestellten körper
nicht oder nur unbeachtlich verändert.
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Nach dem trfindungsgemäßen Verfahren lassen sich neben Behältern und
Gefäßen auch Abdeckungen und Verkleidungen herstell** die ihrer Größe wegen auf
Spritzgußmaschinen nicht mehr gefertigt werden können.
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Sämtliche aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung
hervorgehenden Merkmale und Vorteile einschließlich konstruktiver Einzelheiten und
Verfahrensschritte können auch in beliebigen Kombinationen erfindungswesentlich
sein.