DE19942364C2

DE19942364C2 - Werkzeug zum Warmumformen beim Prägeformprozess

Info

Publication number: DE19942364C2
Application number: DE1999142364
Authority: DE
Inventors: Klaus-Dieter Mueller
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1999-09-06
Filing date: 1999-09-06
Publication date: 2001-07-12
Anticipated expiration: 2019-09-07
Also published as: DE19942364A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Werkzeug zum Warmum formen beim Prägeformprozess mit einem strukturierten Abform werkzeug auf der einen und einem umzuformenden thermoplasti schen Substrat oder einer Kunststoffschicht auf der anderen Seite. Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung von elektrisch leitfähiger und da durch direkt beheizbarer Keramik zum Beheizen von Abformwerk zeugen und Substraten oder zu verformenden Materialien in Werkzeugen zum Warmumformen beim Prägeprozeß mit einem struk turierten Abformwerkzeug auf der einen und einem umzuformenden thermoplastischen Substrat auf der anderen Seite.

Beim Warmumformprozeß in Prägeformen ist es notwendig, den um zuformenden Stoff über seine Erweichungstemperatur zu erwär men. Für den Strukturierungsprozeß muß eine hohe Temperaturho mogenität im Formstoff vorliegen, die etwa im Bereich von 1 K liegen sollte. Weiterhin muß der Heiz- und Kühlvorgang so schnell wie möglich erfolgen, um die Gesamtzykluszeit so kurz wie möglich zu halten.

Bisher werden zum Heizen des Formstoffes bzw. der Prägeformen entweder Temperieröl oder eine elektrische Heizung eingesetzt. Eine weiter Möglichkeit der Beheizung besteht im Einsatz einer induktiven Heizung, wobei unter Nutzung eines Hochfrequenzge nerators und einer Induktionsspule geheizt wird.

JP 2-182433 A und JP 2-182434 A beschreiben Verfahren, bei dem eine Kunststofffolie vor dem Prägevorgang vorgeheizt und der Prägevorgang über eine Induktionsspulenheizung (JP 2-182433 A) bzw. über eine dielektrische Hochfrequenzheizvorrichtung mit der Kunststofffolie als Dielektrikum (JP 2-182434 A) unterstützt wird.

Die bekannten Heizmethoden ermöglichen jedoch keine so genaue flächenmäßige Anpassung an die Abformgeometrie. Aus diesem Grund benötigen die bekannten Heizmethoden längere Zeit, bis sich ein homogenes Temperaturfeld von wenigen K zum Beispiel über eine Fläche von einigen Quadratdezimetern eingestellt hat.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Heizung anzugeben, mittels der sich auch lange und dünne Strukturen von Formstoffen und Prägeformen so erhitzen lassen, daß in der Struktur eine sehr homogene Temperaturver teilung im Bereich von wenigen K erreicht werden kann.

Zu Lösung der Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung die Merkmale vor, die im kennzeichnenden Teil des Patentanspru ches 1 angeführt sind. Weitere, vorteilhafte Ausgestaltun gen der Erfindung sind in den kennzeichnenden Merkmalen der Unteransprüche zu sehen.

Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der Fig. 1 und 2 erläutert: Es zeigen,

die Fig. 1 ein mikrostrukturiertes Abformwerkzeug über ei nem mit Kunststoff beschichteten Substrat und

die Fig. 2 zwei Abformwerkzeuge zum beidseitigen Struktu rieren einer Kunststoffschicht.

Die Fig. 1 zeigt in einer Prinzipdarstellung ein als Bei spiel ein mikrostrukturiertes Abformwerkzeug 1 über einem mit Kunststoff beschichteten Substrat 2 oder einer Kunst stoffschicht, die unter Erhitzung strukturiert werden sol len. Anstelle eines beschichteten Substrates kann auch eine einheitliche Kunststoffschicht strukturiert werden. Zur besseren Übersichtlichkeit sind in der Figur die Einzel teile der Umformpresse nicht mehr dargestellt. Unter dem Abformwerkzeug 1 und unter dem Substrat 2 sind in jeweils engem wärmeleitenden Kontakt jeweils Formkörper 3 und 4 aus heizbarer Keramik angebracht, die in ihrer Außenkontur etwa der Außenkontur des Abformwerkzeuges 1 und des Substrates 2 entsprechen. Die heizbare Keramik kann anstatt des Formkör pers 4 dabei auch direkt als Substratmaterial eingesetzt werden. Die Formkörper 3 und 4 oder das heizbare Substrat sind jeweils mit einem elektrischen Anschluß 5 und 6 zu ih rer Beheizung versehen und gegenüber der Umformmaschine durch Isolationsplatten 7 und 8 thermisch und elektrisch isoliert. In diese Isolationsplatten 7 und 8 können zusätzliche Kühlkanäle 11 und 12 eingebracht sein. Durch die Ad aptierbarkeit der Außenkonturen wird die aufzuheizende Ma terialmenge so gering wie möglich gehalten und damit auch der Abkühlprozeß beschleunigt. Es ist nunmehr sehr einfach möglich, für den Formeinsatz 1 und das Substrat 2 auf wel chem sich der Kunststoff befindet, ein unterschiedliches Temperaturprogramm zu fahren.

Die Befestigung der Formkörper 3 und 4 und/oder des Abform werkzeuges 1 wird durch temperaturbeständige Klebe- oder mechanische Verbindungen bewerkstelligt. Sie können aber auch durch Unterdruck an den Isolationsplatten 7 und 8 ge halten werden. Dazu sind in die Oberfläche der Isolations platten nicht dargestellte Unterdruckanschlüsse eingebracht und die Formkörper 3 und 4 mit Bohrungen ausgestattet. Nach dem Anlegen eines Unterdruckes werden dann die Formkörper 3 und/oder 4 und/oder das Abformwerkzeug 1 an die Oberflächen der Isolationsplatten 7 und 8 gezogen.

Die Formkörper 3 und 4 aus beheizbarer Keramik können ver schiedenartigen Aufbau aufweisen. Einige Keramiken bestehen aus einer Matrixkeramik beispielsweise aus Aluminiumoxid, der eine elektrisch leitende, nichtoxidische Keramik zuge setzt ist. Andere bestehen aus mehrphasigen Keramiken mit elektrisch leitenden Anteilen. Eine spezielle Form einer solchen elektrisch leitfähigen und beheizbaren Keramik weist zwei äußere Bereiche und mindestens einen inneren Be reich aus einer Keramik auf, wobei die äußeren Bereiche mit einem elektrischen Leiter kontaktierbar und der innere Be reich aufheizbar ist. Dabei weist die Keramik der äußeren Bereiche eine höhere elektrische Leitfähigkeit auf als die Keramik des inneren Bereichs. Die Keramik ist eine Mehrpha senkeramik, die aus mindestens einer Keramikphase mit nied riger und mindestens einer Keramikphase mit höherer elek trischer Leitfähigkeit besteht, wobei der Anteil der Phase mit der höheren elektrischen Leitfähigkeit in den zwei äu ßeren Bereichen höher ist als in dem inneren Bereich. Eine sehr feine Einstellbarkeit des Temperaturgradienten zwi schen dem inneren Heizbereich und den äußeren Kontaktie rungsbereichen und eine wesentlich höhere mechanische Be ständigkeit wird mit Mehrphasenkeramiken erzielt. Bevor zugte Mehrphasenkeramiken bestehen aus einer nicht oder schlecht leitenden Matrixkeramik wie z. B. Al₂O₃, ZrO₂, Si₃N₄, SiC oder TiO₂, in die als weitere Phase mindestens eine der elektrisch leitfähigen Verbindungen wie z. B. ZrC, ZrN, ZrB₂, ZrSi₂, TiC, TiN, TiB₂, TaC, TaN, TaB₂, TaSi₂, MoB₂, Mo₂C, MoSi₂, HfB₂, HfC, HfN, ThB₆, ThC, NbB₂, NbC, NbN, LaB₆, VC, VN, W₂C eingebettet ist. Formkörper 3 und 4 aus solchen Materialien erreichen ohne weiteres Temperaturen, die zum Umformen von thermoplastischen Substraten notwendig sind.

Zwischen den Formkörpern 3 und 4 und den nicht mehr darge stellten weiteren Teilen der Umformpresse sind elektrische und thermische Isolationsplatten 7 und 8 eingesetzt, die zusätzlich je nach Prozeßführung mit einer Kühleinrichtung 11 und 12 versehen werden können. Diese Isolationsplatten 7 und 8 können auf ihren, den Formkörpern 3 und 4 zugewende ten Seiten zusätzlich mit reflektierenden Beschichtungen 9 und 10 versehen sein.

In der Fig. 2 sind schematisch zwei Abformwerkzeuge 1 zum beidseitigen Strukturieren einer Kunststoffschicht 13 dar gestellt. Die weiteren Bezugsziffern entsprechen den in der Fig. 1 angegebenen, das heisst, die Ausbildung der Werkzeuge ist dieselbe wie in der Figur gezeigt.

Die heizbaren Keramik Formkörper 3 und 4 können der Geome trie des Prägewerkzeuges so genau angepasst werden, daß so wenig Material wie möglich aufgeheizt werden muß. Durch die hohe mechanische Stabilität von Keramik können die Präge werkzeuge bzw. die anliegenden Teile der Umformmaschine di rekt an der Keramik anliegen, Damit wird ein optimaler Tem peraturkontakt zwischen dem Heizelement und dem aufzuheizenden Material geschaffen. Die Keramik kann dabei in ihrer Zusammensetzung so variiert werden, daß eine für den Ab formprozeß günstige Temperaturverteilung im Prägestempel erreicht wird. Durch die lokale Erwärmung des Prägewerkzeu ges sowie auch des Abformsubstrates sind die weiteren Kom ponenten der Prozeßkammer, wie z. B. Vakuumdichtringe kei nen so hohen thermischen Belastungen mehr ausgesetzt. Die Temperaturkennlinie der Keramik in Abhängigkeit der Span nung und des Stromes kann aufgenommen werden. Dadurch erüb rigt sich der Einsatz von Thermofühlern. Durch den Einsatz von auf den Prägestempel maßgeschneiderten Formkörpern 3 und 4 aus Keramik wird im Gegensatz zu Öl- oder elektri schen Heizsystemen mit Heizpatronen schneller eine homoge nere Temperaturverteilung auf dem Prägestempel und dem Substrat erreicht. Aufgrund der geringeren aufzuheizenden Masse im Gegensatz zum Einsatz von Heizpatronen ist der Aufheiz- und Abkühlprozeß des Abformwerkzeuges und des Substrates wesentlich schneller als bei den konventionellen Heizsystemen.

Bezugszeichenliste

1

Abformwerkzeug

2

Substrat

3

Formkörper Heizkeramik

4

Formkörper Heizkeramik

5

Elektroanschluss

6

Elektroanschluss

7

Isolationsplatte

8

Isolationsplatte

9

reflektierende Beschichtung

10

refklektierende Beschichtung

11

Kühlkanal

12

Kühlkanal

13

Kunststoffschicht

Claims

1. Werkzeug zum Warmumformen beim Prägeprozeß mit einem strukturierten Abformwerkzeug auf der einen und einem umzuformenden thermoplastischen Substrat oder einer Kunststoffschicht auf der anderen Seite, dadurch ge kennzeichnet, daß direkt unter dem Abformwerkzeug (1) ein Formkörper (3) aus elektrisch leitfähiger und dadurch direkt be heizbarer Keramik in wärmeleitendem Kontakt zu diesem angebracht ist, der gegenüber der Umformmaschine durch eine Isolationsplatte (7) thermisch und elektrisch iso liert ist.

2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß direkt unter dem zu strukturierenden Substrat oder der Kunststoffschicht (2) ein weiterer Formkörper (4)aus heizbarer Keramik in wärmeleitendem Kontakt zu diesem angebracht ist, dergegenüber seiner Halterung in der Umformmaschine durch eine weitere Isolationsplatte (8) thermisch und elektrisch isoliert ist.

3. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Abformwerkzeuge (1) zum beidseitigen Struktu rieren einer Kunststoffschicht (13) vorgesehen sind, unter denen direkt Formkörper (3) aus elektrisch leit fähiger und dadurch direkt beheizbarer Keramik in wär meleitendem Kontakt zu ihnen angebracht sind, die ge genüber der Umformmaschine durch Isolationsplatten (7) thermisch und elektrisch isoliert sind.

4. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Isolationsplatten (7 und 8) auf ihren, den Formkörpern (3 und 4) zugewendeten Seiten zusätzlich mit reflektierenden Beschichtungen (9 und 10) versehen sind.

5. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die Konturen der Formkörper (3, 4) denen des Ab formwerkzeuges (1) und/oder des Substrates (2) entspre chen.

6. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß anstelle des Formkörpers (4) das Substrat direkt aus heizbarer Keramik besteht.

7. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß in die Isolationsplatten (7, 8) zusätzliche Kühlka näle (11, 12) eingebracht sind.

8. Verwendung von elektrisch leitfähiger und dadurch di rekt beheizbarer Keramik zum Beheizen von Abformwerk zeugen und Substraten oder zu verformenden Materialien in Werkzeugen zum Warmumformen beim Prägeprozeß mit ei nem strukturierten Abformwerkzeug auf der einen und ei nem umzuformenden thermoplastischen Substrat auf der anderen Seite.