DE19851040C2 - Verfahren zur Herstellung einstückig ausgebildeter, dreidimensionaler Formkörper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einstückig ausge­ bildeter, dreidimensionaler Formkörper, sowie nach dem Verfahren hergestellte Displaytaschen.

In fast allen Feldern der Technik werden seit jeher einstückige, in­ dustriell oder handwerklich vorgefertigte und aus unterschiedlichsten Materialien bestehende Formkörper eingesetzt. Derartige Formkörper können funktions- bzw. gebrauchstüchtige Einzelgegenstände oder auch Bau- resp. Konstruktionselemente für mehr oder minder komplex struktu­ rierte Ein- oder Vorrichtungen sein. Gerade in jüngster Zeit gelten die Bestrebungen der Ingenieure wieder vermehrt der Entwicklung modu­ larer Systeme, bei denen komplexe Ein- bzw. Vorrichtungen aus einzel­ nen, möglichst universell verwendbaren Formkörpern zusammengesetzt werden und wobei die Zahl unterschiedlich ausgebildeter Formkörper resp. Module möglichst klein gehalten werden soll. Man möchte dadurch in erster Linie erreichen, daß sowohl die Anzahl spezifischer und aufwendiger Formgebungsprozesse als auch der Aufwand für Lagerhaltung und Teileversorgung reduziert wird.

Fertige Formkörper können das direkte Resultat diverser Urformprozesse sein, bei denen definitionsgemäß aus einem formlosen Stoff durch Schaffen eines Zusammenhalts ein fester Körper geformt wird. Eine an­ dere Möglichkeit zu einem bestimmten Formkörper zu gelangen besteht darin, daß auf dem Wege der Umformung geschaffene Halbzeuge mittels verschiedener Verfahren umgeformt werden. Zu den letztgenannten Ver­ fahren gehört auch die Biegeumformung von flachen, plattenförmig aus­ gebildeten Werkstücken. Je nach Art und Querschnitt des verwendeten Ausgangsmaterials und in Abhängigkeit vom zu erzielenden Biegeradius wird kalt- oder warmumgeformt. Beispielsweise werden Biegeformteile aus thermoplastischem Kunststoff aufgrund ihrer Biegefestigkeit im er­ kalteten Zustand im allgemeinen auf dem Wege der Warmumformung in ei­ nem Gesenk gewonnen.

Die nachstehenden Ausführungen zum Stand der Technik beziehen sich auf Formkörper aus thermoplastischem Kunststoff und Verfahren zu deren Herstellung. Die aufzuzeigenden Probleme und Nachteile lassen sich sinngemäß jedoch auf alle Biegeformteile aus durch Wärmeeinwirkung verformbaren Werkstoffen und die entsprechenden zugrundeliegenden Umformverfahren übertragen.

Aus thermoplastischen Kunststoffen hergestellte Formkörper sind auf­ grund ihrer Materialeigenschaften äußerst vielseitig einsetzbar. Unter weiter zunehmender Verdrängung der klassischen Werkstoffe wie etwa Holz oder Metall werden sowohl einfache als auch kompliziert ausgebil­ dete Formkörper aus thermoplastischen Kunststoffen gefertigt. In ähnlicher Weise wie das Einsatzspektrum hat auch die Formenvielfalt in einem unüberschaubarem Maße zugenommen. Gleichwohl findet man unter den einteiligen Formkörpern aus thermoplastischem Kunststoff nur selten übergroß dimensionierte und hohlkörper- bzw. gefäßartig geformte Gebilde, wenn man einmal von langgestreckten und hohlen Strangprofilen wie etwa Rohrleitungsteilen absieht. Wie die nachfolgenden Ausführungen zeigen werden, ist die Ursache für diesen Umstand im wesentlichen darin zu suchen, daß die bekannten Verfahren für die Kleinserien-Herstellung von auf bestimmte Weise geometrisch ausgebildeten Formkörpern ungeeignet sind.

Zur Herstellung von Thermoplasten-Formkörpern bedient man sich je nach der zu erzielenden Raumform und des in Frage kommenden Halbzeugs bzw. Ausgangsmaterials unterschiedlicher Verfahren. Neben den bekannten Ur­ formverfahren, zu denen die Herstellung extrudierter Endlosprofile, die weitverbreitete Spritzgußtechnik oder auch die weiterentwickelte Spritzblastechnik gehören, sind zahlreiche Umformverfahren bekannt. Letztere lassen sich nach der Art der umzuformenden Ausgangsmateria­ lien differenzieren. Die nachstehenden Ausführungen zum Stand der Technik sind auf die bekannten warmformenden Verarbeitungsarten thermoplastischer Platten beschränkt.

Ein verhältnismäßig einfaches Verfahren zur Herstellung gleichfalls einfach ausgebildeter Biegeformteile aus thermoplastischem Kunststoff betrifft das im wesentlichen handwerkliche Warmformverfahren mit Hilfe einer Glühdrahtvorrichtung bzw. einer sogenannten Abkantbank. Hierbei wird eine Platte aus thermoplastischem Kunststoff längs einer gerad­ linig verlaufenden Erhitzungszone einer Biege-, Knick- oder Faltlinie rasch und gleichmäßig auf die Temperatur optimalen thermoplastischen Verhaltens aufgeheizt und anschließend unter Zuhilfenahme mechanischer Kräfte längs der erhitzten Biege-, Knick- oder Faltlinie bis zur Er­ langung eines erwünschten Winkels umgebogen, umgeknickt oder gefaltet. Durch Abkühlung fixiert sich die neue Form von selbst. Die zur Durch­ führung des Verfahrens verwendeten Vorrichtungen bestehen in der Regel aus einer die Biegelinie abbildenden Haltevorrichtung für das zu ver­ formende Werkstück und einem darunter angeordneten linear verlaufenden Heizdraht bzw. einer linear verlaufenden Heizschiene. Ein aus einer thermoplastischen Platte erzeugtes Winkelstück kann beispielsweise zum Erhalt eines endlichen U- oder Treppenprofils weiteren Arbeitsgängen auf der Abkantbank unterzogen werden. Der Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß zwar eine Abkantbank erforderlich ist, nicht jedoch die Form exakt abbildende Formwerkzeuge benötigt werden und daß das umzuformende Werkstück lediglich einer geradlinigen Teilerwärmung unterzogen werden braucht.

Es ist einleuchtend, daß die Formenvielfalt von auf diese Weise er­ zeugten Formkörpern begrenzt ist. Beispielsweise ist es nicht möglich, einfache Behältnisse herzustellen, ohne in einem nachgeschalteten Ar­ beitsgang und gegebenenfalls unter Einschluß spanender Zwischenbear­ beitung die mittels einer Glühdrahtvorrichtung erzeugten Halbzeuge zu verkleben oder zu verschweißen. Die Nachteile dieser Vorgehensweise bestehen nicht zuletzt darin, daß Nahtstellen mit zuweilen unerwünsch­ ten oder schwer kalkulierbaren Materialeigenschaften entstehen. Wenn Formkörper aus transparentem Kunststoff etwa durch Verklebung oder Verschweißung miteinander verbunden werden, so wird außerdem das ästhetische Erscheinungsbild des auf diese Weise erhaltenen Körpers beeinträchtigt, da es im Bereich der Nahtstellen zu unregelmäßigen, zuweilen starken Lichtbrechungen kommt.

Derartige Nachteile lassen sich bislang nur vermeiden, wenn kompli­ zierte Raumformen (z. B. Behältnisse oder dergleichen) unter Anwendung weitaus aufwendigerer Verfahren hergestellt werden. Zu diesen Verfah­ ren gehören die mit Über- oder Unterdurck arbeitenden Blas- bzw. Saugverfahren, mittels derer ganzflächig zu erhitzende Thermoplasten­ platten in einer Form zu schalen- bzw. kuppelartigen Teilen umgeformt werden können. Da die Herstellung von Formwerkzeugen teuer ist, lohnt eine Herstellung von Formkörpern über diesen Weg nur bei größeren Serien.

Eine mit einem Glühdraht arbeitende Vorrichtung und ein darauf abgestimmtes Verfahren sind aus DE 10 38 749 B bekannt. Die Vorrichtung dient zum mehrfachen Abkanten, wodurch Hohlkörper mit Polygonquerschnitt erzeugt werden sollen. Dabei dringen Glühdrähte der Vorrichtung bis auf eine durch den Abstand der Drähte von der Isolierplatte gegebene liefe in eine Kunststoffplatte ein und schmelzen dabei je eine Kerbe in die Platte. Nach dem Abnehmen wird die Kunststoffplatte frei von Hand oder über einer Schablone abgewinkelt und gleichzeitig verschweißt.

Aus GB 546 967 ist es bekannt, Polymethylmetacrylat (PMMA) warm über eine formgebende Oberfläche zu verformen. Das in Plattenform vorliegende Material soll gemäß GB 546 967 als ganzes in einem Ofen erwärmt werden.

Ein Nachteil, der alle Verfahren betrifft, bei denen flächig erhitzte Platten verformt werden, besteht darin, daß die gesamte zu verformende Fläche auf Verarbeitungstemperatur erhitzt werden muß, gleichgültig ob eine bereits beim Halbzeug vorhandene Form bzw. Oberfläche teilweise auch für den späteren Formkörper nutzbar ist oder nicht. Das betrifft vornehmlich den Fall, wenn aus thermoplastischem Kunststoff vorgefer­ tigte Platten als Ausgangsmaterial verwendet und mit Hilfe des Vakuum­ formverfahrens verformt werden. Aus großflächiger Erhitzung und Ver­ formung resultiert zudem fast immer eine reduzierte Wandstärke an vie­ len Stellen des erzeugten Formkörpers. Diesem Umstand muß bei jeder neuen Form spezifisch Rechnung getragen werden.

Aus GB 1 603 489 ist ein Verfahren bekannt, bei dem aus einem thermo­ plastischen Materialzuschnitt durch lediglich zonenweises Erwärmen und Biegen entlang von durch Lehren vorgegebenen Kanten ein Faltboot oder andere dreidimensionale Objekte erstellt werden. Das Verfahren ist gleichlautend in DE 28 22 218 A1 offenbart. Ferner ist aus EP 0 022 884 A1 bekannt, einen dreidimensionalen Körper durch Verformen einer Metallbahn in einer Lehre zu erstellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung einstückig ausgebildeter, dreidimensionaler Formkörper zu vereinfachen und einfach herstellbare Displaytaschen zur Verfügung zu stellen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 14.

Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, eine bei Raumtemperatur biege­ steife Platte lediglich in Erwärmungsbereichen entlang von Umformli­ nien, insbesondere Biegelinien, zu erwärmen und dann frei im Raum, das heißt ohne Anschlagkante, Lehre oder Gesenk umzuformen. Da das freie Umformen, insbesondere das Biegen ein Gesenk oder eine Lehre nicht erfordert, ist es auch für Kleinserien geeignet. Ein Vorteil des freien Umformens ist dabei, daß das Material schonend behandelt wird, da ein Werkzeugansatz nur in den Bereichen erfolgt, in denen das Ma­ terial seine bei Raumtemperatur widerstandsfähigen Eigenschaften aufweist, so daß sich an dem Endprodukt keine Werkzeugeinwirkungen ab­ zeichnen. Durch dieses freie Umformen im Raum, bei dem das Material eine Geometrie mit der geringsten inneren Spannung einnimmt, sind in einem Umformschritt auch Formen mit mehreren Biegelinien erzeugbar.

Beim freien Biegen im Raum entlang mehrerer Biegelinien in einem Ar­ beitsschritt können sich die Biegelinien auf dem Materialzuschnitt berühren, schneiden oder völlig unabhängig voneinander verlaufen, wobei auch ge­ krümmte Biegelinien zur Erzeugung einer bestimmten Raumform Anwendung finden können.

Wenn die Biegelinien einen gekrümmten Verlauf aufweisen, entstehen Formkörper mit gewölbten Flächen, die eine hohe Formstabilität aufwei­ sen. Je häufiger sich dabei Sekanten der Biegelinien innerhalb einer definierten Arbeitsfläche schneiden und je weiter verstreut diese Schnittpunkte auf der Arbeitsfläche sind, bzw. je größer der mit Schnittpunkten bedeckte Anteil der Arbeitsfläche ist, desto formstabi­ ler und vielfältiger belastbar wird der resultierende Formkörper im Allgemeinen sein. Diese Tatsache läßt sich in idealer Weise dazu nut­ zen, extrem belastbare Formkörper bei gleichzeitig niedrigem Gewicht und eo ipso geringem Fertigungsaufwand zu konstruieren. Bedingt durch die außerordentliche Formenvielfalt der Formkörper ergeben sich natürlich auch entsprechend zahlreiche spezifische Vor­ teile einzeln herausgegriffener Formbeispiele. Weitere übergreifende Vorzüge der Formkörper sowie des Verfahrens zur de­ ren Herstellung bestehen darin, daß überall dort, wo in der Vergangen­ heit konventionelle Biegeformteile oder Halbzeuge mittels zeitaufwen­ diger handwerklicher Arbeitsprozesse verschraubt, verklebt oder ver­ schweißt werden mußten, derartige Arbeiten in Zukunft vielfach dadurch eingespart werden können, daß kompliziertere Bauformen als fertige, einstückige Formkörper ohne großen Fertigungsaufwand gemäß der Erfindung gefertigt und verwendet werden. Die Geometrie des fertigen Form­ körpers ist dabei im wesentlichen von den Materialeigenschaften der thermoplastischen Platte, dem Verlauf und der Anordnung der Verfor­ mungskurven, dem Biegeradius in jedem Punkt der Verformungskurve sowie von der Breite der Erwärmungszone, der Heiztemperatur und der Heizdauer abhängig.

Wie bereits angedeutet wurde, beschränken sich die Vorteile der Erfin­ dung nicht allein auf den technischen und ästhetischen Wert der Biegeformteile. Entscheidende Vorzüge betreffen auch das Verfahren zu ihrer Herstellung. Wie ebenfalls schon aufgezeigt wurde, spielen biegende Umformprozesse bislang eine eher untergeordnete Rolle im Rahmen der handwerklichen Verarbeitung thermoplastischer Halbzeuge. Die Biegeformteile sind jedoch in vielen Fällen ge­ eignet, Formkörper aus thermoplastischem Material zu ersetzen, die das Resultat von technisch weitaus aufwendigeren, nichtbiegenden Formge­ bungsprozessen sind. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbare Formkörper sind deshalb weitaus kostengünstiger und damit auch in kleinen Serien preiswerter herstellbar als vergleichbare und mittels der genannten Urformverfahren erzeugte Formkörper, da zur Herstellung der Formkörper im Ge­ gensatz zu den genannten Formverfahren gemäß dem Stand der Technik keine spezifischen Formwerkzeuge vonnöten sind und auch nicht die ge­ samte Halbzeugplatte auf Biegetemperatur erhitzt zu werden braucht.

Grundsätzlich sind als Ausgangsmaterial für die erfindungsgemäßen Formkörper und das Verfahren zu ihrer Herstellung all die Werkstoffe geeignet, die als Platten bzw. Flachkörper formbar sind und über thermoplastische Eigenschaften verfügen, so daß eine Verformbarkeit der Halbzeuge unter Wärmeeinwirkung gewährleistet ist. Dementsprechend können die Formkörper bzw. die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren umzuformenden Platten entweder aus einen homogenen Material oder auch aus einem Verbundstoff bestehen. Eine exemplarische Aufzählung derartigen Materials umfaßt insbesondere thermoplastische Kunststoffe, Ble­ che, Flachglas, Wachs, Holz sowie diverse, unter Wärmeeinwirkung ver­ formbare Verbundstoffe. Das bevorzugte Ausgangsmaterial besteht aus thermoplastischem Kunststoff jeglicher Art, wobei wiederum die Ver­ bundstoffe auf der Basis thermoplastischer Kunststoffe ausdrücklich miteinzubeziehen sind. Gedacht ist hierbei beispielsweise an metall- oder glasfaserverstärkte Platten aus thermoplastischem Kunststoff oder etwa an Kunststoffe mit integriertem organischem Faseranteil.

Während man sich bei der warmformenden Biegung von Platten aus thermo­ plastischem Material seit jeher darauf beschränkt hat die Biegekanten entlang gerade verlaufender, nämlich linearer Verformungskurven anzu­ legen, konnte nunmehr herausgefunden werden, daß sich Platten aus thermoplastischem Material auch dann biegen lassen, wenn die Verfor­ mungskurven nicht linear verlaufen sondern beispielsweise einen Bogen oder etwa eine Zick-Zack-Linie beschreiben. Biegungen sind sogar dann möglich, wenn sich mehrere Verformungskurven innerhalb der umzuformen­ den Platte schneiden oder berühren. Die durch entsprechende Biegung von Platten mit sich schneidenden bzw. berührenden Verformungskurven erzielten Formkörper weisen Ecken bildende und zueinander im Winkel stehende Biegekanten auf.

Je nach Verlauf und Anordnung der einem spezifischem Formkörper zugrundeliegenden Verformungskurven kann man unterscheiden zwischen Formkörpern, bei denen die von der Erhitzung während der Umformung nicht betroffenen, spannungsfreien Flächen auch nach der Umformung eben und spannungsfrei sind, sowie zwischen Formkörpern, bei denen jene Flächen nach der Umformung einer Materialspannung unterliegen, die sich im Allgemeinen darin äußert, daß die betroffene Fläche eine erkennbare Wölbung aufweist. Materialspannungen bzw. Wölbungen in den von der thermischen Umformung nicht betroffenen Teilflächen der Formkörper ergeben sich immer dann, wenn eine derartige, wenigstens teilweise von einer oder mehreren Biegekanten begrenzte Teilfläche durch eben jene Biegekanten in eine kleinere Ebene gezwängt wird, als dem tatsächlichen Umfang der flach ausgebreiteten Teilfläche entsprechen wurde. Sollen die einzelnen Teilflächen eines Formkörpers von den angesprochenen Materialspannungen gänzlich frei sein, so läßt sich dies nur erreichen, wenn die einzelnen und sich in wenigstens einem Fall schneidenden Verformungskurven jeweils geradlinig verlaufen.

Sobald hingegen ein nicht von einer anderen Verformungskurve geschnit­ tener Abschnitt einer Verformungskurve als endlich oder unendlich fein unterteilter Polygonzug verläuft, so erfährt die thermoplastische Platte nach Durchführung der Biegung auf beiden Seiten der entspre­ chenden, resultierenden Biegekante je eine mehr oder minder ausge­ prägte Wölbung. Wenn der besagte Polygonzug einen einfachen Bogen be­ schreibt, so weist das resultierende Formkörper sowohl eine konvex be­ grenzte konkave als auch eine konkav begrenzte konvexe Teiloberfläche auf.

Setzt sich ein unendlich fein unterteilter Polygonzug aus zwei jweils entgegengesetzt verlaufenden Bogenzügen zusammen, so weisen die beiden von der resultierenden gekrümmten, beispielsweise als Tangens- oder Kotangenskurve verlaufenden Biegekante begrenzten Teiloberflächen je­ weis fließend ineinander übergehende konkave und konvexe Abschnitte auf.

Bedingt durch die unterschiedliche Elastizität des jeweils verwendeten Ausgangsmaterials verlaufen die Mantellinien der konkav bzw. konvex gewölbten Flächen mehr oder minder stark gekrümmt, wobei sich der Krümmungsradius fortlaufend ändert. Dies bedeutet, daß die Wölbung einer jeweiligen Teilfläche in unmittelbarer Nähe der Biegekante noch deren Krümmungsradius wiederspiegelt, anschließend aber mit zunehmender Entfernung von der Biegekante fortlaufend abnimmt. Je geringer die durch die Material- und die Plattenstärke bedingte Elastizität ist, desto schneller verflacht die gewölbte Fläche.

Wenn aus ästhetischen oder technischen Gründen mit derartigen Wölbun­ gen versehene Formkörper erwünscht sind, so weisen die gewölbten Biegeformteile gegenüber konventionellen, gewölbten Formkörpern gleicher Wandstärke den Vorzug einer erhöhten Stabilität auf, da das erfindungsgemäße Formkörper im Bereich der Wölbung permanent unter Vorspannung steht. Derartige in sich stabile, gewölbte Formkörper können in vielen Bereichen vorteilhaft eingesetzt werden. Exemplarisch seien an dieser Stelle Verwendungen im Karosseriebau oder auch in der Bau- respektive Bedachungstechnik genannt.

Die erwähnten und in vielen Fällen infolge des Verlaufs und der Anord­ nung der Verformungskurven entstehenden Spannungskräfte führen nicht nur zu einer elastischen Kaltverformung der während der Biegeumformung unerhitzten Teilflächen sondern beeinflussen darüber hinaus auch un­ mittelbar die Warmverformung entlang der Verformungskurven. So können die wirkenden Spannungskräfte einen bestimmten Einfluß auf die Biege­ kanten haben, welcher seinerseits wiederum vom verwendeten Material, der gewählten Temperatur sowie der Breite der sich entlang einer Ver­ formungskurve erstreckenden Erhitzungszone beeinflußt wird. Praktische Bedeutung hat in diesem Zusammenhang vor allem die gewählte Breite der Erhitzungszone, da allein durch die Verengung oder Verbreiterung die­ ser Zone eine spürbare Beeinflussung der geometrischen Form der Biege­ kanten erfolgt. Beispielsweise kann einer Biegekante durch eine inner­ halb ein und derselben Verformungskurve variierende Breite der Erhit­ zungszone äkann es dabei von Vorteil sein, wenn neben der eigentlichen Erhitzungszone eine zusätzliche Kühlung des Plattenmaterials erfolgt. Grundsätzlich werden die Ecken und Kanten eines Formkörpers au­ tomatisch um so stärker verrundet, je breiter die Erhitzungszone ist.

Die Auswirkungen der durch die elastisch kaltverformten Teilflächen verursachten Spannungskräfte reichen von Stauchungen über Dehnungen bis hin zu Verscherungen im Bereich der Biegekanten und können den An­ forderungskriterien an das fertige Formkörper entsprechend bewußt ver­ mieden oder aber auch gezielt hervorgerufen werden. Geschickt gelegte Stauchungen können beispielsweise zu erwünschten Verstärkungsrippen werden oder etwa als optisches Unterstreichungsmittel dienen. Mittels besonders starker Dehnungen können andererseits Falten erzeugt werden, die schließlich als U- oder Omegafalten in Erscheinung treten. Es ver­ steht sich von selbst, daß derartige Verformungen an den Biegekanten auch dadurch erzeugt werden können, indem die erforderlichen Span­ nungskräfte durch auf die Außenränder des Halbzeugs ausgeübten Zug bzw. Druck während der Biegeumformung ausgelöst werden. Charakteristi­ sche Ausbildungen der Biegekanten können in besonders vorteilhafter Weise als integriert-funktionale Bestanteile von Formkörpern dienen. Beispielsweise können absichtlich herbeigeführte Materialstauchungen bzw. -dehnungen als Kabelkanal, als Abflußrinne, als Negativprofil für Schnapp- oder Steckerverbindungen sowie als Einzugsprofil für Keder oder Dichtungsprofile fungieren.

Zur gezielten Formung von spezifischen Biegekantenprofilen kann das erfindungsgemäße Verfahren in vorteilhafter Weise mit einer Preßumfor­ mung durch den Einsatz eines oder mehrerer Formstempel kombiniert wer­ den. Auf diese Weise können bestimmte Formhöhlungen erzeugt werden, indem die erwärmte Biegezone an erwünschter Stelle mit Hilfe der Form­ stempel zusätzlich umgeformt wird.

Die den Formkörpern zugrundeliegenden thermoplasti­ schen Platten müssen zur erfolgreichen Durchführung des Verfahrens nicht notwendigerweise eine glatte Oberfläche aufweisen. Ohne Schwie­ rigkeit können sowohl einseitig als auch beidseitig mit einem bestimm­ ten Oberflächenprofil versehene Halbzeuge verwendet werden. Dem unterschiedlichen Querschnitt der Platte kann erforderlichenfalls durch eine entsprechend variable Steuerung der Beheizungstemperatur Rechnung getragen werden.

Ein weiterer Vorzug des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens be­ steht darin, daß bereits mit Aussparungen versehene Platten ohne wei­ teres biegeumgeformt werden können. Hingegen können beispielsweise mit einem Lochraster versehene Platten nicht mit Hilfe von Verfahren umge­ formt werden, bei denen das Halbzeug in einer Vakuum- oder Druckluft- Druckkammer oder auch mit Hilfe einer Flüssigkeit auf das Formwerkzeug aufgepresst wird. Das nachträgliche Aussagen, Ausschneiden, Ausstanzen oder Ausschmelzen von Aussparungen in fertige und geometrisch unregel­ mäßige Formkörper ist nicht nur mühsam und zeitaufwendig sondern führt in aller Regel auch zu Energie- oder Materialverlust, da die Aus­ schnitte entweder rezykliert oder aber verworfen werden müssen. Selbst einfache Bohrungen für die Montage von Baugruppen oder dergleichen sind wesentlich einfacher und billiger an der ebenen Fläche durchzu­ führen, da hierfür anstelle eines ansonsten erforderlichen Fünf-Achs­ bohrwerks ein Drei-Achsbohrwerk verwendet werden kann. Mit Aussparungen oder einem Raster versehene Formkörper weisen überdies gegenüber den konventionellen Formkörpern, in die die Aussparungen erst nach dem Umformprozeß eingebracht wurden, den Vorzug auf, daß die Ränder der Ausparungen entsprechend der Konfektionierung der Basisplatte wesentlich leichter abzurunden oder in anderer spezifischer Weise auszubilden sind.

Auch bei Bedruckungen, Gravuren bzw. Einfräsungen erweist sich das er­ findungsgemäße Verfahren gegenüber den bekannten Umformverfahren über­ legen, da auch hier die gesamte Plattenbearbeitung vor dem Umform­ prozeß, also im ebenen Zustand durchgeführt werden kann.

Die Bearbeitungsmöglichkeit der Platten vor dem Umformprozeß erweist sich insbesondere dann als vorteilhaft, wenn der Formkörper als Ge­ räteträger fungieren soll, da die Montage von Baugruppen im ebenen Zu­ stand sehr viel leichter vorgenommen werden kann und sogar gegebenen­ falls Formkörper hergestellt werden können, aus denen eine instal­ lierte Baugruppe nachträglich nicht mehr zu entfernen ist.

Für die konkrete Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kommen je nach erwünschtem Automatisierungsgrad unterschiedliche Vorrichtun­ gen in Betracht, wobei wenigstens eine Beheizungseinrichtung erforder­ lich ist, mittels derer thermoplastische Platten entlang von einer oder mehreren Verformungskurven, erwärmbar sind.

Im einfachsten Falle weist die Beheizungseinrichtung dem Verlauf der Verformungskurven entsprechende, fest installierte Heizstäbe oder Heizrohre auf. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante sind die Heizstäbe oder Heizrohre als einzelne Heizelemente ausgebildet, die auf ein und derselben Beheizungseinrichtung in im wesentlichen frei wählbarer Anordnung installierbar sind. Auf diese Weise läßt sich mit einem Vorrat gleich oder auch unterschiedlich ausgebildeter Heizele­ mente eine Vielzahl verschiedener Formkörper mittels einer einzigen Vorrichtung herstellen. Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn eine Halte­ einrichtung vorgesehen ist, mittels derer die zu erwärmende Platte an der Beheizungseinrichtung fixierbar ist. Wenn die Halteeinrichtung beispielsweise an einer Laufkatze oder einem Schlitten aufgehängt ist, so können die zu verformenden Platten im Materiallager aufgenommen, anschließend zur Beheizungseinrichtung bewegt und dort in Position ge­ bracht werden.

Wenn ein Materialzuschnitt mehrere Biegelinien aufweist, die den Mate­ rialzuschnitt in mehrere Zonen unterteilen, ist es bei dem Umform­ schritt nicht erforderlich, in jeder Zone des Materialzuschnitts einen Kraftangriff vorzusehen. Durch den Materialzusammenhalt ist nämlich auch die räumliche Lage einer Zone eines Materialzuschnitts veränder­ bar, ohne daß in dieser Zone ein Kraftangriff erfolgt.

Zur Erzeugung von gerade verlaufenden Biegekanten ist eine Erwärmung des Materialzuschnitts lediglich entlang einer schmalen Erwärmungszone erforderlich. Wenn jedoch Dehnungen oder Prägezonen erzeugt werden sol­ len, wird bevorzugt in einer breiten Erwärmungszone erwärmt, um eine möglichst geringe Materialstärkenschwankung zu erreichen. Mit der Breite der Erwärumungszone sind darüber hinaus bei dem erfindungsgemä­ ßen Verfahren Biegeradien und Eckenabrundungen gezielt einstellbar.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, thermoplastisches Kunststoffmaterial einer Materialstärke von 3 bis 10 mm zu verarbei­ ten. Dadurch lassen sich Formkörper herstellen, die eine hohe Eigenfe­ stigkeit aufweisen. Dementsprechend zeichnen sich erfindungsgemäße Displaytaschen vorzugsweise durch eine Wandstärke von 3 bis 10 mm, insbesondere 6,5 mm bzw. 4 mm aus. Ein Vorteil des Verfahrens ist in diesem Zusammenhang auch, daß zur Herstellung der genannten Formkörper nur ein verhältnismäßig geringer Energieaufwand erforderlich ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Zeichnung im Zusam­ menhang mit der Beschreibung. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens zur Herstellung einstückig ausgebildeter, dreidimensiona­ ler Formkörper mit darin eingespanntem Materialzuschnitt vor dem Biegen,

Fig. 2 die Vorrichtung in Fig. 1 mit dem Materialzuschnitt nach dem Biegen,

Fig. 3 ein Heizelement für die Vorrichtung in Fig. 1 gemäß einer zwei­ ten Ausführungsform,

Fig. 4 eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer La­ serheizvorrichtung,

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform einer Heizvorrichtung mit selektiv ansteuerbaren Heizelementen,

Fig. 6 einen Formkörper,

Fig. 7 eine erfindungsgemäße Displaytasche,

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Materialzuschnitts während der Heizphase,

Fig. 9 den Materialzuschnitt in Fig. 8 nach einem gemäß dem Verfahren der Erfindung durchgeführten freien Stauchen,

Fig. 10 einen Materialzuschnitt mit einem eingeformten Bauteil,

Fig. 11 einen Materialzuschnitt mit einer Rille zur Aufnahme von Dämp­ fungselementen.

Fig. 12 einen Zuschnitt für einen dreidimensionalen Formkörper zur Ver­ wendung als Displayträger,

Fig. 13 einen nabenartig ausgebildeten Zentralbereich eines aus dem Zuschnitt in Fig. 12 hergestellten Formkörpers und

Fig. 14 einen Ausschnitt des in Fig. 12 herausgeschnittenen Teil des Formkörpers in vergrößerter Darstellung.

Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung 100 zum freien Biegen eines ebenen Materialzuschnittes weist ein Gestell 102 und eine auf dem Gestell 102 angeordnete Heizvorrichtung 104 auf, welche zur zonenweisen Erwärmung eines ebenen Materialzuschnitts 106 aus thermoplastischem Material vorgesehen ist.

Zur Handhabung des Materialzuschnitts 156 sind oberhalb der Heizvor­ richtung 104 an einem nicht gezeigten Rahmen in vertikaler Richtung gemeinsam verfahrbare Kolben-Zylinder-Einheiten 108 angeordnet, welche über Vakuumsauger 110 den Materialzuschnitt 106 festhalten.

Die Kolben-Zylinder-Einheiten 108 weisen an ihrem Kolbenboden ein Ge­ lenk 112 auf, um dessen Achse herum sie frei schwenkbar sind. Da auch die Vakuumsauger 110 an den Kolbenstangen verschwenkbar angeordnet sind, passen sich die Kolben-Zylinder-Einheiten 108 beim Verformen des Materialzuschnitts 106 der Lage des jeweiligen Materialsektors des Materialzuschnitts 106 an, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist.

Die Vakuumsauger 110 greifen in Bereichen an, in welchen der Material­ zuschnitt 106 - wie sich aus den zu Referenzzwecken aufgezeichneten Biegelinien 116 ergibt - nicht erwärmt wird. Es ist auch erkennbar, daß nicht an jeder Sektion des Materialzuschnitts 106 eine Kolben-Zy­ linder-Einheit 108 über einen Vakuumsauger angreift. Vielmehr bleiben zwei Sektionen 118 frei. Diese Sektionen 118 folgen bei der Umformung den jeweils benachbarten Zonen 120 bzw. 122 in einer Art, die an das Origamifalten erinnert, wobei jedoch nach dem Abkühlen des Materialzu­ schnitts 106 die durch die Umformung erzeugte Raumform erhalten bleibt.

Fig. 3 zeigt ein Heizelement 124 für die Vorrichtung 100 in Fig. 1. Dieses Heizelement 124 weist einen Heizstab 126 auf, welcher wie die Heizelemente der Heizvorrichtung 104 als Elektrowiderstandsheizung ausgebildet ist. Das Heizelement 124 weist jedoch parallel zu dem Widerstandselement 126 angeordnete Abschirmelemente 128 auf, welche eine Erwärmung des Materialzuschnitts 106 auf schmale, für die Ver­ formung erforderliche Zonen begrenzen soll. An der Oberseite der Ab­ schirmelemente 128 sind Dichtungselemente 130 aus hitzebeständigem Material vorgesehen, die den Wärmeaustausch aufgrund von Konvektion unterbinden sollen.

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vor­ richtung 200. Diese Vorrichtung 200 unterscheidet sich von der Vor­ richtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform durch die zur zonenwei­ sen Erwärmung vorgesehene Laserheizvorrichtung 240 und durch die An­ ordnung der Kolben-Zylinder-Einheiten 208, welche im Gegensatz zur Vorrichtung 100 unterhalb des umzuformenden Materialzuschnitts 206 an­ geordnet sind. Da der Aufbau der Kolben-Zylinder-Einheiten 208 und de­ ren gelenkige Anordnung an einem Gestell dem Aufbau und der Anordnung der Kolben-Zylinder-Einheiten 108 entspricht, wird auf die entspre­ chende Beschreibung verwiesen.

Die bei der Vorrichtung 200 zum freien Biegen von im wesentlichen ebe­ nen Materialzuschnitten 206 vorgesehene Laserheizvorrichtung 240 weist einen stationär angeordneten Laser 242 sowie einen beweglich angeord­ neten Spiegel 244 auf. Der Spiegel 244, der computergesteuert ange­ trieben wird, lenkt den Laserstrahl 246 derart ab, daß auf dem Ma­ terialzuschnitt 206 ein Linienmuster 248 erzeugt wird, welches die späteren Biegekanten wiedergibt. Um die Breite der Erwärmungszonen entlang der Linien des Linienmusters 248 einzustellen, pendelt der Laserstrahl 246 entlang der Linien des Linienmusters 248.

Fig. 5 zeigt eine Heizvorrichtung 350, welche alternativ zu der Heiz­ vorrichtung 104 bei einer Vorrichtung zum freien Biegen einsetzbar ist. Die Heizvorrichtung 350 weist eine Vielzahl einzelner Heizpixel 352 auf. Die Heizpixel 352 sind Elektrowiderstandselemente, die in Sockelblöcken von 5 bis 10 mm Kantenlänge eingefaßt und zu einem Heiz­ feld zusammengefaßt sind, welches eine einzelne Ansteuerung der ein­ zelnen Heizpixel 352 erlaubt.

Fig. 6 zeigt in perspektivischer Darstellung einen gemäß dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren hergestellten Formkörper 400. Der Formkörper 400 der aus einem einzigen Materialzuschnitt 401 hergestellt ist, be­ steht aus Polymethylmetacrylat mit einer Wandstärke von 6,5 mm und ist als Buchstütze verwendbar. Er weist zwei zueinander winklig ange­ ordnete Displayflächen 402, 404 sowie vier Stützflächen 406, 408, 410, 412 auf. Die beiden Displayflächen 402, 404 schließen einen Winkel von 150° ein, wohingegen der Winkel zwischen den beiden Displayflächen 402, 404 und der jeweils benachbarten Stützfläche 406, 410 bzw. 408, 412 etwa 90° beträgt. Der Winkel zwischen den jeweils benachbarten Stützflächen 406, 408 bzw. 410, 412 beträgt 130 bzw. 135°. Dadurch, daß beim Umformen die Bereiche, an denen zwei Displayflächen und zwei Stützflächen aneinanderstoßen großflächig erwärmt worden sind, sind an dem Formkörper 400 Ausrundungsbereiche 414, 416 ausgebildet.

Fig. 7 zeigt eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aus einem Ma­ terialzuschnitt 501 hergestellte Displaytasche 500 zum Einhängen an einer Lochschiene 502 eines Präsentationssystems. Die Displaytasche 500, die im Schnitt gezeigt ist und aus einem Poymethylmetacrylat ei­ ner Wandstärke von 4 mm besteht, weist einen Abstützfuß 504 auf, wel­ cher durch Prägen einer großflächig erwärmten Zone mittels eines Preßstempels erzeugt worden ist. Dadurch, daß der Durchmesser des zum Prägen verwendeten Stempels nur 40 bis 70% des Durchmessers der er­ wärmten Fläche beträgt, sind am Boden 506 der Displaytasche 500 im Bereich des Übergangs zum Abstützfuß 504 große Übergangsradien 508 aus­ gebildet.

Die Fig. 8 und 9 veranschaulichen, wie an einem Materialzuschnitt 606 durch Erwärmen und anschließendes Stauchen in der Ebene des Material­ zuschnitts 606 gemäß den Pfeilen A in Fig. 9, Rippen 608 ausgebildet werden können.

Die Fig. 10 und 11 zeigen weitere Möglichkeiten des Einsatzes des er­ findungsgemäßen Verfahrens. Dabei ist in einen Materialzuschnitt 706 (Fig. 10), der in einer breiten Zone erwärmt worden ist, ein aus einem metallischen Werkstoff bestehendes U-Profil 708 eingeprägt worden, welches Längsschlitze 710 zur Aufnahme von Verbindungselementen auf­ weist. Das U-Pprofil 708, welches beim Umformen anstelle eines Preß­ stempels verwendet worden ist, wird durch diese Art der Umformung von dem Materialzuschnitt 706 teilweise umschlossen und hält daher ohne zusätzliche Verbindungsmittel an dem Materialzuschnitt 706.

Fig. 11 zeigt, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren an einem Mate­ rialzuschnitt 806 auch Sicken ausbildbar sind, in welche Dämpfungspro­ file 808, beispielsweise aus einem Moosgummi, einlegbar sind.

Die Fig. 12 bis 14 zeigen einen Materialzuschnitt für einen als Boden eines Displaysystems verwendbaren Formkörper sowie Abschnitte des Ma­ terialzuschnitts nach Durchführung von Umformschritten. Fig. 12 zeigt dabei, daß Linienmuster 948, entlang dessen eine Erwärmung erfolgt. Um nach dem Umformprozeß keine Nacharbeiten durchführen zu müssen, ist der Materialzuschnitt 906 an seinem äußeren Umfang 960 und am Rand ei­ nes inneren Durchbruchs 962 sauber abgeschnitten.

Die Fig. 13 und 14 zeigen, wie der Rand des 962 des inneren Durch­ bruchs durch das Verformen gestaltet worden ist. Durch das Hochbiegen aus der Ebene des Materialzuschnitts 906, welcher nur als Ausschnitt gezeigt ist, wird eine nabenartige Struktur erzeugt, die der Aufnahme einer Trägersäule dient.

Claims (15)

1. Verfahren zur Herstellung einstückig ausgebildeter, dreidimensio­ naler Formkörper, aus einem bei Raumtemperatur biegesteifen, im we­ sentlichen ebenen Materialzuschnitt, bei dem der Materialzuschnitt eingespannt, entlang von Umformlinien in einem schmalen Erwärmungs­ bereich erwärmt und in dieser Einspannung entlang der Umformlinien verformt wird, wobei die Krafteinleitung in nicht erwärmten Bereichen erfolgt und nach dem Abkühlen des Materialzuschnitts die durch die Umformung erzeugte Raumform erhalten bleibt, dadurch gekennzeichnet, daß das Umformen ohne Anschlagkante oder Gesenk frei im Raum ent­ lang mehrerer Umformlinien in einem Arbeitsschritt erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Umformen ein Biegen entlang von Biegelinien ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuschnitt während der Einspannung für das Umformen entlang der Um­ formlinien zur Erzeugung von Dehnungszonen und/oder Prägezonen in mindestens einer breiten Erwärmungszone erwärmt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von Vorsprüngen an dem dreidimensionalen Formteil in der mindestens einen Erwärmungszone ein Prägestempel angreift, dessen Ausdehnung in Richtung der Ebene des Materialzuschnitts geringer ist als die Ausdehnung der Erwärmungszone.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmungstemperatur und/oder die Breite der Erwärmungsbereiche entlang der Umformlinie variiert, um entstehende Kanten in Abhängigkeit von der Art des umzuformenden Materialzuschnitts sowie der Materialstärke gezielt zu formen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß während der Erwärmung neben den Erwärmungsbereichen entlang der Umformlinien und/oder neben den Erwärmungszonen eine gezielte Küh­ lung erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Materialzuschnitt mindestens entlang einer gekrümmten Bie­ gelinie gebogen wird, um an dem Formteil eine gewölbte Fläche aus­ zubilden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Zuge des Biegens eine Warmformung erfolgt, bei der Verstär­ kungsrippen bildende Materialstauchungen an den Umformlinien er­ zeugt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Wege der Warmformung U- oder Omegafalten bildende Material­ dehnungen an den Umformlinien erzeugt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Materialzuschnitt ein- oder beidseitig mit einer Struktu­ rierung oder einem Oberflächenprofil versehen ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeich­ net, daß vor dem Erwärmen und Umformen an dem Materialzuschnitt Aussparungen oder ein Aussparungsraster ausgebildet werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeich­ net, daß vor dem Erwärmen und Umformen an dem Materialzuschnitt Be­ druckungen oder Gravuren angebracht werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeich­ net, daß vor dem Erwärmen und Umformen auf dem Materialzuschnitt Baugruppen angeordnet werden.

14. Displaytasche zum Einhängen an einer Lochschiene eines Präsen-tati­ onssystems, hergestellt gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprü­ che 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Materialzuschnitt (501) im wesentlichen aus einem thermoplastischen Kunststoffmate­ rial, insbesondere im wesentlichen aus einem homogenen oder modi­ fizierten Polymetylmetacrylat (PMMA) besteht.

15. Displaytasche nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke der Displaytasche (501) in unverformten Materialbereichen 3 bis 10 mm, vorzugsweise 4 mm beträgt.