DE19949263A1 - Verfahren zum Herstellen eines Kunststoffbauteiles - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Kunststoffbauteiles, wobei in einer einzigen Werkzeugeinheit, in welcher zunächst aus einem flächigem Halbzeug eine letztlich das Kunststoffbauteil bildende, zunächst im wesentlichen ebene Grundform herausgetrennt wird, die im nächsten Verfahrensschritt in dieser Werkzeugeinheit erwärmt und daraufhin im dritten Verfahrensschritt in die gewünschte Form verprägt wird, welche als fertiges Kunststoffbauteil nach einer Abkühlphase dieser Werkzeugeinheit entnommen wird. Bevorzugt kommt als Halbzeug eine dickere Lackfolie zum Einsatz. Bevorzugt kann die Werkzeugeinheit nach der an sich bekannten Würfeltechnik arbeiten, wobei insbesondere im oder anschließend an den dritten Verfahrensschritt ein zusätzliches Element an das Kunststoffbauteil bzw. an die umgeformte Grundform angespritzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Kunststoffbauteiles aus einem flächigem Halbzeug, insbesondere aus einer dickeren Lackfolie. Grundsätzlich sind eine Vielzahl von Herstellverfahren für Kunststoffbauteile bekannt, so bspw. das Spritzgießen, das Blasformen, das Extrudieren, das Pressen und das Prägen oder Spritz-Prägen. All diese Verfahren weisen sy­ stemimmanente Vorteile auf, besitzen jedoch auch jeweils einen oder mehre­ re Nachteile. Weit verbreitet ist dabei der Nachteil, daß die Zeitdauer zum Fertigen eines Kunststoffbauteiles relativ lang ist, was u. a. daran liegen kann, daß verschiedene Verfahrensschritte zur Herstellung des Kunststoff­ bauteiles in verschiedenen Werkzeugen durchgeführt werden, oder daß das Kunststoffbauteil aus einem noch nicht hinreichend vorbereiteten Grundma­ terial hergestellt wird.

Mit der vorliegenden Erfindung soll nun aufgezeigt werden, wie innerhalb sehr kurzer Zykluszeiten hochwertige Kunststoffbauteile sowohl hinsichtlich der optischen als auch der mechanischen Eigenschaften hergestellt werden können (Aufgabe der vorliegenden Erfindung).

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß das Kunststoffbauteil in einer einzigen Werkzeugeinheit hergestellt wird, in welcher zunächst aus einem flächigem Halbzeug eine letztlich das Kunststoffbauteil bildende, zunächst ebene Grundform herausgetrennt wird, die im nächsten Verfahrensschritt in dieser Werkzeugeinheit erwärmt und daraufhin im dritten Verfahrensschritt in die gewünschte Form verprägt wird, welche als fertiges Kunststoffbauteil nach einer Abkühlphase dieser Werkzeugeinheit entnommen wird. Vorteil­ hafte Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wird das Kunststoffbauteil im wesentlichen durch Verprä­ gen eines flächigen Halbzeuges hergestellt, d. h. als Ausgangsmaterial dient eine ggf. bereits beschichtete sowie geeignet beschnittene Kunststoff-Folie, wobei die Beschichtung eine Lackschicht sein kann. Dabei ist die Folie bzw. das sog. Halbzeug relativ dick bzw. hinreichend dick, so daß aus dieser qua­ si dickeren Folie, bevorzugt Lack-Folie, im wesentlichen durch einfaches Umformen das gewünschte Kunststoffbauteil mit der gewünschten Wand­ stärke gefertigt werden kann. Da als Ausgangsmaterial für das Kunststoff­ bauteil ein bereits bestmöglich vorgefertigtes Material zum Einsatz kommt, nimmt der eigentliche Herstellprozeß, nämlich das Umformen des geeignet beschnittenen bzw. ausgeschnittenen Halbzeuges, naturgemäß wenig Zeit in Anspruch.

Weiterhin erfolgt erfindungsgemäß die Herstellung des Kunststoffbauteiles in einer einzigen Werkzeugeinheit, so daß zeitaufwendige Umsetzarbeiten zwi­ schen verschiedenen Werkzeugen nicht anfallen. In dieser Werkzeugeinheit werden somit nacheinander die aufeinander folgenden Verfahrensschritte zur Herstellung des Kunststoffbauteiles ausgeführt, wozu selbstverständlich in dieser Werkzeugeinheit verschiedene Teil-Werkzeuge vorgesehen sind bzw. sein können. Dabei ist es wesentlich einfacher und schneller, in einer einzigen Werkzeugeinheit nacheinander verschiedene Teil-Werkzeuge ein­ zusetzen, als ein zu fertigendes Bauteil in den nacheinander folgenden Fer­ tigungszuständen von einem Werkzeug zum nächsten Werkzeug zu trans­ portieren.

Im folgenden werden die einzelnen Verfahrensschritte, die nacheinander in der besagten einzigen Werkzeugeinheit durchgeführt werden bzw. fakultativ zusätzlich durchgeführt werden können, näher erläutert, wobei zu den ein­ zelnen Verfahrensschritten zur Verdeutlichung auch auf die beigefügten schematisierten Figurendarstellungen verwiesen wird.

Im ersten Verfahrensschritt, der symbolhaft in Fig. 1 dargestellt ist, wird aus einem flächigem Halbzeug 1 - hierbei handelt es sich bevorzugt um eine dickere Lack-Folie - eine sog. Grundform 2 herausgetrennt. Diese zunächst ebene Grundform 2 besitzt dabei eine derartige Kontur, daß durch späteres Umformen dieser Grundform 2 das Kunststoffbauteil in seiner gewünschten Form hergestellt werden kann. Das Halbzeug 1 kann dabei in Form eines Coils, d. h. in Form einer zu einer Rolle aufgewickelten Bahn (vgl. hierzu be­ reits vorab die später noch näher erläuterte Fig. 5b, Bezugsziffer 16a) an der Werkzeugeinheit (Bezugsziffer 10 in den Fig. 5a, 5b) vorliegen. Das besagte Heraustrennen der Grundform 2 aus dem Halbzeug 1 bzw. aus dem entsprechend abgewickelten Coil kann dabei durch Laserschneiden oder durch Ultraschallschneiden oder Wasserstrahlschneiden oder durch Stanzen oder durch Schneiden bspw. mit einer geeignet geführten Klinge erfolgen.

Im darauf folgenden zweiten Verfahrensschritt, der symbolhaft in Fig. 2 dargestellt ist, wird die herausgetrennte Grundform 2 aufgeheizt, um das die Grundform 2 bildende Material in einen physikalischen Zustand zu bringen, in welchem es bzw. sie daraufhin umgeformt, d. h. - wie im folgenden dritten Verfahrensschritt erläutert - verprägt werden kann. Dieses Aufheizen mittels einer geeigneten Heizvorrichtung 3, mit Hilfe derer ein gewünschtes bzw. brauchbares Temperaturprofil in der Grundform 2 erzeugt wird, kann unter­ schiedlich erfolgen. Bspw. kann die Heizvorrichtung 3 als Flamme, als Mikrowelle oder als Induktionsheizung ausgebildet sein; daneben kommt auch ein Einsatz von Ultraschall oder Wärmeleitung oder Konvektion oder Strahlung in Frage.

Im darauf folgenden dritten Verfahrensschritt wird die aufgeheizte Grundform 2 in die gewünschte Form verprägt, d. h. durch Prägen wird die Grundform 2 in das gewünschte Kunststoffbauteil 4 umgeformt. Wie bekannt erfolgt die­ ses Form-Prägen zwischen einer Matrize 5b und einem Stempel 5a (vgl. Fig. 3a bis 3e), d. h. die Matrize 5b bildet quasi ein Gesenk, in dessen Formhohlraum der Stempel 5a gemäß Pfeilrichtung 6 eingefahren wird, und der dabei die dazwischen liegende Grundform 2 zum Kunststoffbauteil 4 verformt. Von diesem Kunststoffbauteil 4 bzw. von der Grundform 2 sind da­ bei in den Fig. 3a bis 3e die eigentliche Grundschicht der Folie bzw. des Halbzeuges 1 mit der Bezugsziffer 1a und die darauf befindliche Lackschicht mit der Bezugsziffer 1b bezeichnet. Die Grundschicht 1a sowie die Lack­ schicht 1b bilden somit die weiter oben sog. Lackfolie bzw. das Halbzeug 1.

Im Detail kann dieses Form-Prägen des dritten Verfahrensschrittes unter­ schiedlich erfolgen, so bspw. vollflächig, so wie dies in Fig. 3a dargestellt ist. Wie Fig. 3b symbolhaft zeigt kann dies aber auch vollflächig analog dem Rückwärtsfließpressen oder teilflächig geschehen, so wie dies in Fig. 3c dar­ gestellt ist. In diesem Zusammenhang kann im Sinne einer vorteilhaften Weiterbildung gleichzeitig oder direkt anschließend ein (hier: zwei) zusätzli­ ches Element 7 bzw. Funktions-Element 7 an das Kunststoffbauteil 4 (bzw. an die zumindest teilweise umgeformte Grundform 2) angeformt, insbeson­ dere angespritzt werden, was in Fig. 3d symbolisch durch hier zwei Kunst­ stoff-Spritzdüsen 8 dargestellt ist. Daneben ist es auch möglich, zusammen mit diesem Form-Prägen gleichzeitig oder nacheinander das Kunststoffbau­ teil 4 zu stanzen, was in Fig. 3e durch einen zusätzlichen Stanzstempel 9 dargestellt ist, dessen Bewegungsrichtung bzw. Krafteinwirkungsrichtung durch den Pfeil F verdeutlicht ist.

Im darauf folgenden dritten Verfahrensschritt erfolgt das an sich übliche Ab­ kühlen des Kunststoffbauteiles 4, was in der zugehörigen Fig. 4 durch ei­ nen die Wärmeabfuhr verdeutlichenden Pfeil Q dargestellt ist. Nachdem das Kunststoffbauteil 4 in dieser Bearbeitungsstufe bzw. in diesem vierten Ver­ fahrensschritt ausreichend abgekühlt ist und somit eine ausreichende Fe­ stigkeit erreicht hat, wird es (in der gewünschten Form) als fertiges Produkt der besagten einzigen Werkzeugeinheit entnommen.

Im Sinne einer vorteilhaften Weiterbildung kann diese einzige Werkzeugein­ heit nach der bspw. aus der DE 197 33 667 A1 bekannten Würfeltechnik ar­ beiten, da hier nacheinander vier grundlegende Verfahrensschritte durchzu­ führen sind. Im folgenden wird eine derartige Werkzeugeinheit 10 anhand der eine Seitenansicht zeigenden Fig. 5a sowie der die zugehörige Auf­ sicht zeigenden Fig. 5b kurz erläutert.

Die Werkzeugeinheit 10 wird durch eine Maschine gebildet, auf deren Ma­ schinenbett 11 zunächst einmal der bereits erläuterte Stempel 5a angeord­ net ist, mit Hilfe dessen im ebenfalls bereits erläuterten dritten Verfahrens­ schritt die sog. Grundform 2 zum Kunststoffbauteil 4 umgeformt bzw. ver­ prägt wird. Die zugehörige Matrize 5b befindet sich mehrfach (hier vierfach) auf einem Werkstückträger 12, der sich seitlich (hier linksseitig) des in Verti­ kalrichtung angeordneten Stempels 5a auf dem Maschinenbett 11 befindet. Dieser im wesentlichen würfelförmige Werkstückträger 12 ist um eine durch sein Zentrum verlaufende Vertikalachse 13 gemäß Pfeilrichtung 14 verdreh­ bar. Wie ersichtlich ist auf jeder der insgesamt vier vertikalen Seitenflächen 12-1, 12-2, 12-3 und 12-4 des Werkstückträgers 12 eine Matrize 5b vorge­ sehen.

Wie aus Fig. 5b hervorgeht, ist (hier) linksseitig des Werkstückträgers 12 ei­ ne in einer Vertikalebene liegende Folienbahn 1* vorgesehen, die in dieser Vertikalebene gemäß Pfeilrichtung 15 von einem sog. Voll-Coil 16a abgewic­ kelt und auf ein sog. Rest-Coil 16b aufgewickelt werden kann. Hierbei pas­ siert die Folienbahn 1* eine auf dem Maschinenbett 11 angeordnete Be­ schnittstation 17. Gebildet wird diese Beschnittstation 17 durch eine nach dem Stanzprinzip arbeitende, linksseitig der Folienbahn 1* vertikal angeord­ nete Schneidvorrichtung 18, die mittels einer Zylinder-Kolben-Einheit 19 ge­ mäß Pfeilrichtung 20 verfahrbar ist. Wird diese Schneidvorrichtung 18 in Richtung zum rechtsseitig der Folienbahn 1* liegenden Werkstückträger 12 verfahren, so wird bspw. in Zusammenwirken mit einem auf dessen jeweili­ ger - in Abhängigkeit von dessen aktueller Position der Schneidvorrichtung 18 zugewandten - Seitenfläche 12-1 (wie hier) oder 12-2 oder 12-3 oder 12-4 vorgesehenen, nicht näher dargestellten Gegenstück aus der dazwischen liegenden Folienbahn 1*, die das weiter oben erläuterte Halbzeug 1 darstellt, die ebenfalls bereits ausführlich erläuterte Grundform 2 herausgetrennt.

Diese herausgetrennte Grundform 2 verbleibt auf dem Werkstückträger 12, der anschließend gemäß Pfeilrichtung 14 um 90° um die Vertikalachse 13 verdreht wird, so daß die Seitenfläche 12-1 mit der darauf liegenden Grund­ form 2 in einer sog. Heizstation 21 zum Liegen kommt, in welcher sich im in Fig. 5b dargestellten Zustand noch die Seitenfläche 12-4 befindet. Im we­ sentlichen gleichzeitig mit diesem Verdrehen des Werkstückträgers 12 wird die Folienbahn 1* ein gewisses Stück weiter vom Voll-Coil 16a abgewickelt und auf das Rest-Coil 16b aufgewickelt, so daß in der Beschnittstation 17, in der sich dann die Seitenfläche 12-2 des Werkstückträgers befindet, ein neu­ es Halbzeug 1 vorliegt, aus dem daraufhin ein neue Grundform 2 herausge­ trennt wird.

Im weiteren wird auf das Verdrehen des Werkstückträgers 12 jeweils um 90° nicht mehr eingegangen, da anhand der bisherigen Erläuterungen klar ist, daß unter Anwendung dieser sog. Würfeltechnik, die durch den würfelförmi­ gen, verdrehbaren Werkstückträger 12 ermöglicht wird, jede Seitenfläche 12- x (x = 1, 2, 3, 4) dieses Werkstückträgers 12 mit darauf angeordnetem Werkstück (hierbei handelt es sich zunächst um die Grundform 2 und ab­ schließend um das fertige Kunststoffbauteil 4) nacheinander vier Bearbei­ tungsstationen durchläuft. Daher werden im folgenden lediglich die weiteren Bearbeitungsstationen erläutert.

In der bereits genannten Heizstation 21 wird die sich auf dem Werkstückträ­ ger 12 befindende Grundform 2 erwärmt und dadurch in einen derartigen physikalischen Zustand gebracht, daß in der darauf folgenden Prägestation 22 diese Grundform plastisch umgeformt werden kann. In der Heizstation 21, in der somit der weiter oben ausführlich erläuterte zweite Verfahrensschritt durchgeführt wird, ist hierfür eine geeignete, figürlich nicht dargestellte Heiz­ vorrichtung (verschiedene Ausgestaltungen hierfür wurden in Verbindung mit Fig. 2 bereits erwähnt) vorgesehen.

Zurückkommend auf Fig. 5b wird in der für die Durchführung des nächsten, dritten Verfahrensschrittes relevanten Prägestation 22 die erwärmte Grund­ form 2 mittels des Werkstückträgers 12 dem Stempel 5a zugewandt positio­ niert. Dieser Stempel 5a wird daraufhin auf nicht näher dargestellte Weise gemäß Pfeilrichtung 6 zum Werkzeugträger 12 hin verfahren, wobei die Grundform 2 in die in diesem vorgesehene Matrize 5b hineingepreßt wird. Hierbei wird also - wie in Verbindung mit den Fig. 3a-3c ausführlich erläutert wurde, die Grundform 2 in die gewünschte Form, nämlich zum Kunststoffbauteil 4, verprägt.

In der darauf folgenden vierten Bearbeitungsstation erfolgt der folgende vierte Verfahrensschritt, nämlich das Abkühlen des nunmehr in seine ge­ wünschte Form gebrachten Kunststoffbauteiles 4 sowie dessen Entnahme aus dem Werkzeugträger 12. Es handelt sich hierbei also um eine sog. Ab­ kühl- und Entnahmestation 23, die wie ersichtlich gegenüberliegend der Heizstation 21 angeordnet ist, und deren benötigte Bestand- bzw. Einzelteile der Einfachheit halber nicht dargestellt sind. Besonders vorteilhaft ist in die­ sem Zusammenhang die räumliche Trennung von Heizstation 21 und Ab­ kühlstation 23, so daß die jeweils zugeführten bzw. abgeführten Energie­ ströme sich nicht gegenseitig beeinflussen und somit keine erheblichen thermischen Verluste entstehen.

Die Taktzeiten bzw. Zykluszeiten, die zur Durchführung der einzelnen Ver­ fahrensschritte in den einzelnen Bearbeitungsstationen benötigt werden, sind annähernd gleich und dabei jeweils so kurz, daß das Kunststoffbauteil 4 ausgehend von einem möglichst weitgehend vorbereiteten Grundmaterial in Form des Halbzeuges 1 (bzw. der Lackfolien-Bahn 1*) in der einzigen Werk­ zeugeinheit 10 äußerst einfach und dabei schnellstmöglich hergestellt wer­ den kann.

In diesem Zusammenhang seien noch Vorteile aufgelistet, die sich an einem solchermaßen, nämlich durch Verprägen einer aus einem geeigneten Halb­ zeug 1, insbesondere einer dickeren Lackfolie, herausgetrennten Grundform 2 in die gewünschte Form übergeführten Kunststoffbauteil 4 einstellen: So ist aufgrund der Verwendung eines Halbzeuges, insbesondere einer (dickeren) Lack-Folie eine sehr hohe Oberflächenqualität erzielbar, wobei derartige Folien einen geringeren Schwund als bspw. spritzgegossene Bau­ teile aufweisen. Auch ergibt sich durch das Aufheizen dieser Folie, d. h. der Grundform 2 und deren anschließendes Verprägen eine geringere Verar­ beitungstemperatur, was geringere Kosten für Energie und eine geringere Schwindung sowie den Abbau von Eigenspannungen des Halbzeuges 1 zur Folge hat. Beim Umformvorgang im dritten Verfahrensschritt ergeben sich bezüglich des Kunststoffmaterials lediglich geringere Fließwege (vgl. Fig. 3a-3c), was geringere Orientierungen und dadurch geringere Eigen­ spannungen zur Folge hat, so daß nurmehr geringere Fülldrücke benötigt werden und somit im Kunststoffbauteil 4 geringerer Verzug und folglich eine höhere mechanische Festigkeit entsteht.

Im übrigen sind beim Verprägen der Grundform auf einfache Weise Wand­ dickensprünge im Kunststoffbauteil 4 erzeugbar; ferner fallen beim in Ver­ bindung mit Fig. 3e erläuterten integrierten Stanzen keine Bindenähte an, was eine geringere Schädigung der Folie zur Folge hat. Weiterhin ist es möglich, an das Kunststoffbauteil 4 bzw. an die Grundform 2 während des Umformens desselben oder anschließend an das Formen des Kunststoff­ bauteiles 4, d. h. im wesentlichen im dritten beschriebenen Verfahrensschritt, ein zusätzliches Element bzw. Funktionselement oder auch einen Absatz oder eine Stufe oder dgl. an die Wand des Kunststoffbauteiles 4 anzusprit­ zen. Hierzu ist - wie die Fig. 5a, 5b schematisch zeigen - in die Werk­ zeugeinheit 11 eine Spritzgießmaschine integriert, was lediglich symbolisch durch eine bereits in Verbindung mit Fig. 3d erläuterte Kunststoff- Spritzdüse 8 dargestellt ist. Selbstverständlich kann dies sowie eine Vielzahl weiterer Details insbesondere konstruktiver Art durchaus abweichend vom beschriebenen Ausführungsbeispiel gestaltet sein, ohne den Inhalt der Pa­ tentansprüche zu verlassen.

Claims (7)

1. Verfahren zum Herstellen eines Kunststoffbauteiles (4), wobei in einer einzigen Werkzeugeinheit (10), in welcher zunächst aus einem flächi­ gem Halbzeug (1) eine letztlich das Kunststoffbauteil (4) bildende, zu­ nächst im wesentlichen ebene Grundform (2) herausgetrennt wird, die im nächsten Verfahrensschritt in dieser Werkzeugeinheit (10) erwärmt und daraufhin im dritten Verfahrensschritt in die gewünschte Form verprägt wird, welche als fertiges Kunststoffbauteil (4) nach einer Ab­ kühlphase dieser Werkzeugeinheit (10) entnommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbzeug (1) eine dickere Lackfolie verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Verfahrensschritt das Her­ austrennen durch Laserschneiden oder Ultraschallschneiden oder Wasserstrahlschneiden oder Stanzen oder Schneiden mit einer Klinge erfolgt.

4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im zweiten Verfahrensschritt das Er­ wärmen mittels einer Flamme oder durch Mikrowelle oder Induktions­ heizung oder Ultraschall oder Wärmeleitung oder Konvektion oder Strahlung erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im dritten Verfahrensschritt das Verprä­ gen vollflächig oder analog dem Rückwärtsfließpressen oder teilflä­ chig erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeugeinheit (10) nach der an sich bekannten Würfeltechnik arbeitet.

7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere im oder anschließend an den dritten Verfahrensschritt ein zusätzliches Element an das Kunst­ stoffbauteil (4) angespritzt wird.