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Die
Erfindung betrifft allgemein die Herstellung von mit mono- oder
polychromatischen Beschriftungen, Bildern und/oder Mustern versehenen,
d.h. "dekorierten" Artikeln aus Kunststoff
und speziell Formeinlagefolien (engl.: in-mould films oder in-mould
labels), wie sie an sich in der Spritzgusstechnik bekannt sind und
dabei in eine Form eingelegt werden, wo sie während des Spritzgiessens mit dem
in die Form eingespritzten flüssigen
Polymermaterial verbunden werden und nach dessen Erstarrung und
Entnahme aus der Form auf dem erhaltenen Formgebilde die Dekoration
bilden.
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Die
Verwendung solcher Formeinlagefolien ist jedoch bisher praktisch
auf die verhältnismässig kostspielige
Spritzgusstechnik beschränkt.
Aus Gründen
der Kostenminimierung wäre
es aber auch wünschbar,
Formeinlagefolien mit kostengünstigeren Thermoformungsverfahren,
wie z.B. Tiefziehverfahren, verwenden zu können. Dies würde jedoch
nach dem bisherigen Stand der Technik nur unter Vakuumbedingungen
zu einer akzeptablen Verbindung der Formeinlagefolie mit der Formungsfolie
ohne unerwünschte
Lufteinschlüsse
zwischen der Dekorfolie und der Formfolie führen, was aus wirtschaftlichen Gründen nicht
allgemein praktikabel ist.
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Die
zur vorliegenden Erfindung führenden Versuche
haben gezeigt, dass es bei einer praxisgerechten Durchführung solcher
Thermoformungsverfahren in Gegenwart von Gas bzw. Luft an der Grenzfläche zwischen
der plastischen Formungslage und der Formeinlagefolie zu blasenförmigen Lufteinschlüssen kommt,
die ein normalerweise nicht akzeptables Aussehen der erhaltenen
dekorierten Kunststoffartikel zur Folge haben. Ausserdem kommt es
nach bisherigem Stand der Technik bei solchen Versuchen zu einem "Einziehen", d.h. der Bildung
einer rillen- oder wulstförmigen
Schrumpfverformung.
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Versuche,
die Formeinlagefolien zur Verwendung für Tiefziehverfahren mit feinen
Perforationen in gleichmässiger
Verteilung zu versehen ("diskontinuierliche" Folien) lieferten
bisher Ergebnisse, die für eine
kommerzielle Fertigung häufig
nicht akzeptabel sind, weil es oft zu unansehnlichen blasenförmigen Lufteinschlüssen an der
Grenzfläche
kommt. Auch Versuche zur Verwendung von Formeinlagefolien auf der
Basis von "geschlossenen" ("massiven" oder "kontinuierlichen") Folien, d.h. solchen
ohne makroskopische Perforationen, die wegen ihrer molekularen Struktur
ausreichend permeabel für
Gas bzw. Luft sind, führten
nicht zu einer praktikablen Lösung,
zumal die im Ergebnis normalerweise praktisch nicht gasdurchlässige Druckschicht
diesem Ansatz entgegen wirkt.
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Schliesslich
führten
auch Versuche, die Schmelzeigenschaften der Formeinlagefolien oder ihrer
Oberflächen
zu modifizieren, nicht zu einem sicheren Ausschluss der Bildung
von Lufteinschlüssen zwischen
der Formeinlagefolie und der für
Tiefziehverfahren typischen Formungslage aus bahnförmig zusammenhängender,
plastischer Polymermasse.
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Ferner
ist auch bei diesen Modifikationen die Bildung von Schrumpfverformungen
nicht sicher auszuschliessen.
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Dies
alles gilt aber nicht nur für
Tiefziehverfahren sondern für
alle im Vergleich zu Spritzgussverfahren weniger kostspieligen Kunststoff-Formungsverfahren,
die allgemein als Thermoformungsverfahren bezeichnet werden und
bei denen sich nicht wie beim Spritzgussverfahren die geschmolzene
Masse erst in der Form verfestigt, sondern bei denen eine Lage aus
thermoplastisch verformbarer Polymermasse – hier Formungslage genannt – in thermoplastischem
aber zusammenhängenden
Zustand in eine Form gebracht und in dieser durch Zug- beziehungsweise
Sog- oder Druckkräfte
der Form angepasst, d.h. ausgeformt wird. Beispiele solcher Verfahren sind
ausser dem häufig
bevorzugten Tiefziehverfahren das Formpressen, die Vakuumformung,
das Gummisackverfahren und die Blasformung.
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Eine
erste Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Formeinlagefolie
für ein
Thermoformungsverfahren der eben angegebenen Art zu bieten, d.h. ein
solches, bei dem eine zusammenhängende
oder kohärente
Formungslage aus thermoplastisch verformbarem Polymermaterial in
plastischem Zustand in eine Form gezogen oder gepresst und dabei
mit einer Formeinlagefolie verbunden wird, ohne dass es unter gewöhnlichen
Arbeitsbedingungen, d.h. in normaler Atmosphäre, zu Lufteinschlüssen kommt,
die zu einem unbrauchbaren Aussehen des erhaltenen dekorierten Kunststoffgebildes
führen.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung sind Formeinlagefolien, mit welchen
die Bildung von Schrumpfrillen sicher verhindert werden kann, und zwar
sowohl bei Thermoformungsverfahren als auch bei Spritzgussverfahren.
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Diese
Aufgaben werden gemäss
einer ersten allgemeinen Ausführungsform
der Erfindung durch eine Formeinlagefolie mit den Merkmalen von Anspruch
1 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen der
erfindungsgemässen
Formeinlagefolie haben die Merkmale der Ansprüche 2 – 6.
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Gemäss weiteren
Ausführungsformen
bietet die Erfindung die Verwendung der Formeinlagefolie zur Herstellung
eines Formkörpers
gemäß Anspruch 7
sowie einen Formkörper
mit den Merkmalen der Ansprüche
8 – 10.
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Überraschenderweise
wurde in den zur Erfindung führenden
Untersuchungen gefunden, dass sich die Bildung von Lufteinschlüssen bei
Verwendung von Formeinlagefolien bei Tiefzieh- und ähnlichen
Formverfahren, die nicht wie das Spritzgussverfahren mit praktisch
flüssiger
Polymermasse sondern mit bahn- oder blattförmigen, aber thermisch plastifizierten
Polymerlagen arbeiten, blasenförmige
Lufteinschlüsse
durch eine vorgängige
Strukturierung der Grenzfläche
zwischen der Formeinlagefolie und der Formungslage verhindert werden,
und dass auf diese Weise auch die Bildung von Schrumpfrillen nicht
nur bei Thermoformverfahren sondern auch beim Spritzgussverfahren
sicher vermieden werden kann.
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In
der Praxis wird hierzu gemäss
der Erfindung die Oberfläche
der Formeinlagefolie z.B. durch Prägen, Pressen, Walzen und dergleichen
Formverfahren strukturiert bzw. „geprägt", wobei diese Bezeichnung nicht von
der Art des angewendeten Verfahrens abhängt, sondern davon, dass die
jeweils erzielte Oberflächenstruktur
das Aussehen ergibt, wie es üblicherweise
als Prägung
angesehen wird und allgemein dadurch charakterisiert ist, dass die
Oberfläche
auf mindestens einer Seite eine Vielzahl von auf der Oberfläche gleichmässig verteilten
Einsenkungen aufweist. Die durch Prägen erzeugte Strukturierung
kann sich an der Aussenseite des fertigen Kunststoffgebildes mehr
oder weniger stark abzeichnen.
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Das
erfindungsgemässe
Formverfahren und die erfindungsgemässen Formeinlagefolien sind
sowohl zur Herstellung von praktisch ebenen oder gleichmässig, d.h.
flächig
gekrümmten
Gebilden, z.B. durch Walzen, als auch zur Herstellung von stark
profilierten Gegenständen,
wie Bechern, Geschirr, Verpackungen und dergleichen geeignet, insbesondere und
gemäss
einer bevorzugten Ausführungsform durch
Tiefziehen, aus den in der Kunststoff-Verarbeitungstechnik üblichen
Polymermaterialien.
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Als
Polymermaterialien werden hier allgemein synthetische makromolekulare
Substanzen, einzeln oder in Mischungen und mit oder ohne Zusätze, wie
Weichmacher, Füllstoffe,
Pigmente, Stabilisatoren, Modifikatoren, Flammhemmittel, UV-Filter
und dergleichen verstanden, wie sie für Thermoformungsverfahren bekannt
und üblich
sind. Der Polymeranteil solcher Massen kann aus Homopolymeren, Copolymeren
oder Polymermischungen bestehen und zusammen mit allfälligen Zusätzen zu
Folien oder Platten verarbeitet werden, die sich mindestens vorübergehend
in einen thermisch erweichten Zustand bringen lassen, wie dies meist
durch Erwärmen einer
vorgeformten Kunststofflage oder -folie oder aber durch Weiterverarbeiten
einer noch in thermisch plastischem Zustand vorliegenden Polymerlage
unmittelbar anschliessend an ihre Herstellung, z.B. durch Walzen
oder Giessen, erzielt wird.
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Typische
nicht abschliessende Beispiele für die
Polymerkomponente solcher Massen sind Polyalkane, wie Polyethylen
und Polypropylen, Polyvinylpolymere, wie modifizierte Polystyrole,
Polycarbonate, Polyester, Polyether, thermoplastische Polyurethane
und dergleichen.
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Typische
Dicken der Formungslage liegen im Bereich von etwa 50 μm bis etwa
50 mm, wobei jedoch weder die untere noch die obere Grenze kritisch ist
und von verschiedenen Parametern, wie Formtiefe, Formgrösse und
dem Verwendungszweck der daraus hergestellten Formteile abhängt. Dabei
können
sowohl einheitliche Formungslagen als auch solche aus mehreren Komponenten
verwendet werden, wie sie durch Co-Extrusion oder andere Verfahren zur
Herstellung von mehrschichtigen oder beschichteten Lagen aus Polymermaterial
erhältlich
sind.
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Als
Formeinlagefolien (engl.: in-mold films) sind hier zunächst prinzipiell
alle Folien der Art geeignet, wie sie für Spritzgussverfahren bereits
verwendet werden. Dabei können
sowohl einlagige als auch mehrlagige Folien verwendet werden, wie
sie durch Co-Extrusion, Extrusionsbeschichtung oder anderen bekannten
Verfahren erhalten werden können
und auch geschäumte
Lagen aufweisen können.
Obwohl bevorzugte Formeinlagefolien für die Erfindung im wesentlichen
aus thermoplastischer Polymermasse bestehen, ist dies insofern nicht
absolut kritisch, als auch unter Umständen andere Folien einschliesslich solcher
aus Metall, wie Aluminium, oder Metall-Kunststoffverbundfolien für das erfindungsgemässe Verfahren
brauchbar sind, wenn sie die Bildung entsprechend geprägter Flächen ermöglichen bzw.
sich durch entsprechende Verfahren mit einer geprägten Oberfläche versehen
lassen und mindestens auf der Seite, welche mit der Formungslage
die Grenzfläche
bilden soll, mit der Polymermasse der Formungslage kompatibel ist
und nötigenfalls
mit einem als Haftvermittler wirkenden Polymer beschichtet ist.
Typische Dicken solcher Folien liegen im Bereich zwischen etwa 10 μm und etwa
1000 μm,
z.B. 10 – 100 μm, die in
einer für
Formeinlagefolien üblichen
Weise bedruckt sind, um den damit hergestellten Artikeln das gewünschte Aussehen
zu geben.
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Für die Erfindung
als Formeinlagefolien geeignete Folien sind bekannt und im Handel
erhältlich. Sie
werden vor der Verwendung nach unterschiedlichen Verfahren, z.B.
Tief-, Flexo-, Sieb-, Offset- und Buchdruck aber auch auf andere
Weise, z.B. durch Sublimationsdruck oder photooptische Verfahren
mit der gewünschten
Dekoration bzw. Beschriftung versehen, und zwar auf der Seite, die
im fertigen Gebilde an einer Aussenseite liegt, da die meisten Druckfarben
die Bildung einer festen Verbindung verhindern. Ausnahmsweise, z.B.
bei gerasterten Drucken oder mit entsprechend bindungsfähigen Druckfarbenmassen
ist es allerdings auch möglich,
die Dekorschicht an der Seite aufzubringen, die mit der Formungslage verbunden
werden soll. Die Formeinlagefolie kann auch Beschichtungen aufweisen,
die, wie z.B. Beschichtungen mit Haftvermittler, das Oberflächenverhalten
in einer gewünschten
Weise modifizieren, beispielsweise um die Benetzbarkeit für das Polymermaterial
des Formkörpers
zu erhöhen
und/oder der Aussenseite des Formkörpers bestimmte Oberflächeneigenschaften
zu verleihen. Die bekannten Formeinlagefolien mit Selbstklebeschichten
hingegen werden nicht zuletzt aus Kostengründen für die Erfindung nicht bevorzugt.
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Beim
erfindungsgemässen
Verfahren ist die Grenzschicht zwischen Formungslage und Formeinlagefolie
durch Prägen
strukturiert, um die Bildung von Lufteinschlüssen zwischen diesen Schichten
zu vermeiden. Dies bedeutet, dass zum Zeitpunkt des Zusammenführens der
Formungslage mit der Formeinlagefolie die Formungslage selbst und/oder
die Formeinlagefolie im Bereich des Kontaktes miteinander, d.h.
jeweils an den einander zugewandten Seiten ihrer Oberflächen, eine
solche Struktur aufweisen. Bei ausreichender Strukturierung der
Formungslage sollte es möglich
sein, die Bildung von Luftblasen an der Grenzfläche auch mit einer nicht strukturierten bzw.
geprägten,
d.h. nicht erfindungsgemässen Formeinlagefolie
zu erreichen, doch kann es dann zur Bildung von Schrumpfrillen kommen,
weshalb die Verwendung von ungeprägten Formeinlagefolien für das erfindungsgemässe Verfahren
nicht bevorzugt wird.
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Erfindungsgemässe Formeinlagefolien
zur Verwendung in Spritzgussverfahren müssen stets eine Strukturierung
nach Art einer Prägung
aufweisen, die erfindungsgemäss
zur Vermeidung vom Schrumpfrillen und von Lufteinschlüssen dient.
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Spezielle
Angaben und Beispiele finden sich weiter unten in der Beschreibung.
Wegen der grossen Zahl von Parametern, die das Ergebnis beeinflussen
können,
wie unterschiedliche Polymertypen und Polymer-Strukturvariablen
für die
Formeinlagefolien einerseits und die Formungslage bzw. die Spritzgussmasse
andererseits sowie die Verfahrensbedingungen beim Ausformen ist
eine abschliessende Angabe nicht möglich, kann jedoch im gegebenen Fall
anhand von einigen wenigen und einfachen Versuchen auf Grund der
hier gegebenen Lehren ermittelt werden.
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Es
wurde gefunden, dass blasenförmige Lufteinschlüsse und
Schrumpfrillen mit ganz unterschiedlichen regelmässigen oder unregelmässigen geprägten Oberflächenstrukturen
der Formeinlagefolie vermieden werden können. Allgemein wird als „Prägung" bzw. als "geprägte" oder "strukturierte" Oberfläche hier
eine nicht völlig
planare sondern eine solche Oberfläche verstanden, die verteilte
Erhebungen ("Berge") und Einsenkungen
("Täler") besitzt, vorzugsweise
in gleichmässiger
Verteilung.
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Es
wird angenommen, dass die Wirkungsmechanismen, welche zur Vermeidung
von Lufteinschlüssen
einerseits und zur Vermeidung von Schrumpfrillen andererseits führen, unterschiedlicher Art
sind, aber normalerweise mit ein und derselben Prägung der
Formeinlagefolie erreicht werden können.
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Schrumpfrillen
würden
gemäss
diesen Modellvorstellungen dadurch vermieden, dass die Prägung der
Folie eine begrenzte zusätzliche
Streckfähigkeit
verleiht und Lufteinschlüsse
dadurch vermeidet, dass sich an der Grenzfläche keine das Aussehen störenden zusammenhängenden
grossen blasenförmigen
Lufteinschlüsse
bilden können.
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Im
typischen Fall beträgt
die Prägungstiefe im
Bereich von etwa 5% bis etwa 200%, vorzugsweise etwa 10% bis etwa
100% der Dicke der Formeinlagefolie. In absoluten Zahlen ist für viele
Zwecke der Erfindung eine Prägungstiefe
der jeweiligen Oberfläche
von mindestens etwa 1 μm
und vorzugsweise mehr als 5 μm,
insbesondere mindestens etwa 10 μm geeignet.
Als "Prägungstiefe" bzw. "Strukturtiefe" wird dabei die in
Längeneinheiten
angegebene Differenz zwischen der obersten gemeinsamen Ebene aller "Berge" und der untersten
gemeinsamen Tiefe aller "Täler" bezeichnet. Der
terminologische Unterschied zwischen "Prägung" und "Struktur" ist dadurch bedingt,
dass "Prägung" ein im wesentlichen
festes Material voraussetzt. Bei der thermisch plastifizierten Formungslage,
deren für
die Grenzschicht bestimmte Seite gemäss einer Ausführungsform
des erfindungsgemässen
Verfahrens ebenfalls mit einer Vielzahl von kleinen Einsenkungen
und Erhebungen versehen werden kann, wird daher die Bezeichnung "strukturieren" bzw. "strukturiert" der Sachlage besser
gerecht, als die Bezeichnung "prägen" bzw. "geprägt".
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Wenn
sowohl die Formungslage als auch die Formeinlagefolie geprägt bzw.
strukturiert ist, sind auch entsprechend kleinere absolute Werte
als die eben angegebenen geeignet. Die Strukturtiefe kann jedoch
auch höher
als eben angegeben liegen, wenn das Polymermaterial der Formungslage
entsprechend fliessfähig
ist. Auch das Optimum der Strukturtiefe der Formungslage kann für gegebene
Polymermaterialien mit wenigen einfachen Versuchen festgestellt
werden
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Um
störende
Lufteinschlüsse
zwischen der Formfolie und der Formeinlage sicher zu vermeiden, sollte
die Strukturierung vorzugsweise praktisch frei von geschlossenen
Bereichen sein, d.h. mit anderen Worten ein "offenes Muster" bilden. Damit soll eine Oberflächenstruktur
charakterisiert werden, bei der die höchsten, in einer gemeinsamen
Ebene liegenden Berge miteinander keine ringförmigen oder polygonalen "Teiche" oder "Seen" bilden. Zur Vermeidung von
Schrumpfrillen ist dies jedoch nicht erforderlich.
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Typische
Beispiele von Strukturen zur Vermeidung von Lufteinschlüssen werden
anhand der Zeichnungen noch eingehender erläutert. Modellhaft als Beispiel
einer erfindungsgemäss
geeigneten Struktur ist ein Feld aus gleichförmigen Kegeln oder Pyramiden,
deren Spitzen gemeinsam eine höchste gemeinsame
Ebene definieren und wobei alle Räume zwischen den Kegeln oder
Pyramiden miteinander räumlich
in Verbindung stehen. Dies bedeutet jedoch nicht, dass die Struktur
geometrisch gleichförmig
oder homogen sein muss. Vielmehr können auch völlig unregelmässige Strukturen
verwendet werden, sofern sie ein durchwegs "offenes Muster" bilden.
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Solche
Prägungen
der Formeinlagefolien sind auch zur Vermeidung von Schrumpfrillen
geeignet, doch ist in diesem Fall die Verwendung von offenen Mustern
nicht erforderlich.
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Die
Strukturierung bzw. Prägung
der beim Tiefziehen und anderen Thermoformverfahren für den gegenseitigen
Kontakt im Formungswerkzeug bestimmten Oberfläche der Formungslage oder/und der
Formeinlagefolie kann mit ganz unterschiedlichen Methoden und Werkzeugen
erzielt werden. Die Formungslage kann z.B. in thermisch plastifiziertem Zustand,
vorzugsweise im Zuge der Fertigung oder der Durchführung des
Thermoformverfahrens durch ein Walzenpaar geführt werden, von denen die eine das
Negativ der gewünschten
Oberflächenstruktur bildet
und die andere eine glatte Oberfläche hat.
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Andererseits
kann die für
den Kontakt mit der Formeinlagefolie bestimmte Oberfläche der
Formungslage auch in nicht-plastischem Zustand mit der gewünschten
Struktur versehen werden, z.B. durch Prägen in kaltem Zustand oder
durch Kontakt mit einem beheizten Werkzeug.
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Die
Formeinlagefolie kann vor oder nach dem Bedrucken mit der gewünschten
Oberflächenstruktur
bzw. Prägung
versehen werden, z.B. durch Prägen
oder Pressen zwischen einem Walzenpaar, von dem die eine Walze mit
einem Muster versehen ist oder eine Auflage aus einem gemusterten
Material ausreichender Festigkeit trägt und die andere Walze eine
glatte Oberfläche
besitzt. Die Prägung
kann sich bis in die Rückseite – d.h. die
am fertigen Formkörper aussen
liegende Seite erstrecken, doch ist dies nicht kritisch.
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Die
Oberflächenstrukturierung
kann bei der Durchführung
des erfindungsgemässen
Verfahrens erhalten bleiben, z.B. wenn die Strukturierung bzw. Prägung sich
nur auf der Formungslage befindet oder wenn das thermoplastische
Material der Formungslage die Strukturierung der Formeinlagefolie
ausfüllt. Für das Ergebnis
der Verbindung ist dies jedoch im allgemeinen nicht von Belang.
Gewünschtenfalls kann
sich ein genügend
starkes Prägungsmuster
auf der Aussenseite eines fertigen Kunststoffgebildes abzeichnen
und diesem eine zusätzliche
Gestaltung verleihen.
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Hingegen
ist es wie bereits kurz erwähnt zweckmässig und
wird allgemein bevorzugt, dass das Polymermaterial der Formungslage
mit dem Polymermaterial der Formeinlagefolie kompatibel, d.h. verschmelzbar
bzw. verklebbar ist, um eine praktisch nur unter Zerstörung lösbare Verbindung
zu erreichen. Die Bedeutung und das Ausmass der Kompatibilität der Polymermaterialien
von Formungslage und Formeinlagefolie sind jedoch beim erfindungsgemässen Verfahren
meist weniger kritisch als bei den bekannten sogenannten Inmould-Spritzgussverfahren
mit Formeinlagefolien.
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Für die Durchführung der
erfindungsgemässen
Formverfahren können
die für
diese Verarbeitungstechnik bekannten und im Handel erhältlichen Warmformungsanlagen,
z.B. Tiefzieh- oder Formpresswerkzeuge verwendet werden, die den
Fachleu ten bekannt sind und daher keiner besonderen Erläuterung
bedürfen.
Für das
Einführen
der Formeinlagefolien können
die aus der Inmould-Spritzgusstechnik bekannten und im Handel erhältlichen
Vorrichtungen, z.B. Einlegeroboter verwendet werden und auch hierzu
kann auf das Wissen der Fachleute verwiesen und auf eine ausführlichere
Erläuterung verzichtet
werden. Man kann aber auch ab Rolle arbeiten und die entsprechend
mit Struktur versehenen Labels z.B. durch Stanzen oder andere Schneidverfahren
im Formwerkzeug oder vor diesem bilden.
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Gemäss der Erfindung
können
Artikel für
völlig
unterschiedliche Zwecke hergestellt werden, z.B. für dekorierte
und/oder beschriftete Konsumartikel, wie Becher, Flaschen, Dosen
für Lebensmittel
oder andere Verpackungszwecke, für
Blisterpackungen, Deckel, Einlagen und Trays, Gehäuse, Kaschierteile, Sportgeräte, Klappverpackungen,
Kühlschränke, Modellbauartikel,
Sanitärartikel,
Schalen, Skinverpackungen, Teller, Werbe- und Lernmittel, für die Innenausstattung
von Land- oder Luftfahrzeugen und für viele andere Gebrauchsgegenstände.
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In
den beigeschlossenen Zeichnungen zeigen:
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1 die
schematische Darstellung einer Thermoformung;
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2 die
schematische Ansicht einer Einrichtung zur Strukturierung einer
Formeinlagefolie;
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3 die
schematische Ansicht einer Einrichtung zur Strukturierung einer
Formungslage;
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4 eine
halb-schematische, stark vergrösserte
perspektivische Darstellung einer strukturierten Oberfläche einer
erfindungsgemässen
Formungslage oder/und Formeinlagefolie,
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5A – F verschiedene
Beispiele strukturierter Oberflächen,
und
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6 die
schematische Darstellung einer Schrumpfrille.
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1 erläutert schematisch
ein Form- bzw. Tiefziehverfahren. Die Formungslage 11 ist
als Folge eines vorgängigen
Herstellungsschrittes oder durch Erwärmung auf eine Temperatur im
Erweichungsbereich des Polymermaterials gebracht, so dass die Formungslage
noch kohärent
und handhabungsfähig ist.
Sie wird in das Werkzeug 10 und wahlweise durch einen (nicht
dargestellten) Stempel, durch Anlegen eines Unterdrucks durch die
Leitung 101 oder mittels eines (nicht dargestellten) Gummisacks
in den Formhohlraum 101 gezogen bzw. gepresst oder geblasen.
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Im
Formraum ist die Formeinlagefolie 12 an den Wandungen der
Form 10 und/oder an deren Boden eingelegt. Sofern mit einem
Saugformverfahren gearbeitet wird und die Form 10 Saugöffnungen 102 besitzt,
ist es nicht erforderlich, die Formeinlagefolie im Bereich der Saugöffnungen
zu strukturieren, sofern die Saugwirkung ausreicht, um Lufteinschlüsse zwischen
der Formeinlagefolie 12 und der Formungslage 11 zu
vermeiden.
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Beim
(nicht dargestellten) Ausformen legt sich die Formungslage 11 an
die Formwandungen und verschmilzt oder verklebt mit der Formeinlagefolie 12.
Die Oberfläche
der Formeinlagefolie 12 ist an der mit der Formungslage 11 in
Berührung
kommenden Seite mit einer Struktur 18 versehen, wodurch sich
die Luft im Zwischenraum 18 beim Ausformen verdrängen lässt, ohne
Lufteinschlüsse
zwischen der Formungslage 11 und der Formeinlagefolie 12 zu
bilden. Die beim Formen der schematisch in 1 dargestellten
Art üblichen
Stempel bzw. Rückhalter
für die
thermisch plastisch gemachte Formungslage 11 sind der Einfachheit
nicht gezeichnet.
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Allgemein
können
die für
Thermoformverfahren üblichen
Massnahmen angewendet und die dazu üblichen Vorrichtungen bzw.
Werkzeuge verwendet werden, wobei die Formeinlagefolien nicht nur
an planar gekrümmten
Flächen
sondern auch an kalottenförmig
gewölbten
Flächen
angelegt werden können, da
sie in der Regel mindestens in begrenztem Masse verformbar sind.
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Wie
in 2 schematisch dargestellt, kann die Formeinlagefolie 12 bzw. 22 dadurch
strukturiert werden, dass sie in der durch den Pfeil 28 angedeuteten
Arbeitsrichtung durch ein Walzenpaar 20,25 geführt wird,
dessen eine Walze z.B. glatt und dessen andere Walze ein Muster
aus Vorsprüngen
besitzt, die dem Negativ der zu erzeugenden Struktur auf der Formeinlagefolie 22 entspricht.
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In ähnlicher
Weise kann auch die Formungslage 11 bzw. 31 entsprechend
der schematischen Darstellung von 3 zur Bildung
der gewünschten Struktur über eine
Profilierungswalze 30 geführt werden, falls gewünscht unter
dem Druck einer glatten oder ebenfalls profilierten Gegenwalze 35.
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4 zeigt
in halbschematischer perspektivischer Darstellung eine Struktur 4,
wie sie erfindungsgemäss
auf der Kontaktseite der Formeinlagefolie oder/und der Kontaktseite
der Formlage gebildet wird, um den Einschluss von Luft bei der Ausformung zu
verhindern. Die Tiefe der in 4 dargestellten Struktur
ist durch den Abstand zwischen der Ebene, in der die Spitzen 41 der
Pyramiden 40 liegen, und der gemeinsamen Ebene der zwischen
den Pyramiden verlaufenden Täler 42 definiert.
Diese Strukturtiefe beträgt
in der Regel mindestens etwa 5 μm, kann
aber auch ein Mehrfaches dieses Wertes betragen und z.B. im Bereich
von 10 – 50 μm liegen.
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In
den 5A, 5B, 5C, 5D, 5E und 5F sind
einige nicht abschliessende Beispiele für Strukturen dargestellt, wie
sie erfindungsgemäss
zur Verhinderung der Bildung von Lufteinschlüssen zwischen der Formeinlagefolie
und der Formlage verwendet werden können und jeweils mindestens
auf einer der beteiligten Formschichten, d.h. der Formeinlagefolie
oder/und der Formungslage vorgesehen werden.
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5A ist
ein Siebabdruckmuster, wie es dadurch gebildet werden kann, dass
auf der zur Strukturbildung verwendeten Walze 20 (2)
ein Sieb aus Metalldraht, z.B. aus rostfreiem Stahl, oder Kunststoff-Monofilamenten,
z.B. aus Teflon, oder eine Oberflächen-profilierte Strukturierungslage
liegt, wobei die Oberflächenstruktur
des Siebes bzw. der Strukturierungslage beim Durchlaufen des Walzenpaares 20,25 in
die Formeinlagefolie eingedrückt bzw.
eingeprägt
wird.
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5B zeigt
ein weiteres Beispiel einer Struktur, die aus ovalen Erhebungen 52 und
zwischen diesen verlaufenden und miteinander verbundenen Tälern oder
Kanälen 53 gebildet
wird.
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Die
Strukturen der 5C und 5D zeigen
weitere Beispiel von Sieb-Abdruckmustern ähnlich 5A.
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5E illustriert
ein waffelartiges Muster, das ähnlich
durch "Berge" und Täler" definiert ist, wie das
Muster von 4. Die 5F und 5G sind unregelmässige Muster, wie sie etwa
durch Prägen
einer Formeinlagefolie mittels einer Walze mit unregelmässig aufgerauhter
Oberfläche
gebildet werden können.
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Insgesamt
sollen die 5A – 5F verdeutlichen,
dass ganz unterschiedliche Strukturmuster verwendet werden können und
die Optimierung jeweils entsprechend den verwendeten Materialien, Materialdicken,
Formgrössen
und den Verfahrensbedingungen an Hand von einfachen Versuchen ermittelt
werden kann.
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6 zeigt
die schematische Schnittdarstellung durch einen (nicht erfindungsgemässen) zylindrischen
oder konischen Formkörper
aus einer Formungslage 61 und einer damit verbundenen Formeinlagefolie 62.
Als Folge der Schrumpfung der Formeinlagefolie 62 beim
Abkühlen
und Verfestigen der Formungslage 61 bildet sich in der
letzteren im Bereich der Seitenkanten 621 der Formeinlagefolie eine
Rille 611. Dabei versteht sich, dass insbesondere die Dicke
der Formeinlagefolie zur besseren Darstellbarkeit übertrieben
gross dargestellt ist. Der Querschnitt der Rille kann mehr oder
weniger wulstförmig
ausgebildet sein, weshalb die Bezeichnungen "Schrumpfrille" und "Schrumpfwulst" gleichbedeutend sind und in jedem Fall
die Erscheinung bezeichnen, die in der Fachwelt auch "Einzug" oder "Einziehen" genannt wird.
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Auch
die Dicke der Auswölbung
der Formungslage ist übertreiben
dargestellt. In der Praxis kann das "Einziehen" ganz unterschiedlich stark ausgeprägt sein,
lässt sich
aber in jedem Fall durch Abtasten mit dem Finger deutlich wahrnehmen
und verhindert einen satten Sitz eines sonst auf den Formkörper passenden
Deckels, der den Formkörper ohne
Schrumpfrille sonst dicht verschliessen würde.
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Die
Bildung einer solchen rillen- oder wulstförmigen Schrumpfstelle ist jedenfalls
ein in der Fachwelt bekanntes Problem bei der Verwendung von Formeinlagefolien,
und zwar nicht nur bei bisherigen Versuchen mit Thermoformanlagen
sondern sogar auch bei bekannten Spritzgussverfahren. Dies ist in
jedem Fall höchst
uner wünscht,
da es insbesondere für
die Passung im Bereich eines Verschlussdeckels nachteilig ist.
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Durch
Verwendung von erfindungsgemässen
Formeinlagefolien kann bei beiden Typen von Formverfahren die Bildung
einer derartigen Schrumpfrille vermieden werden. Der Wirkungsmechanismus
ist noch nicht völlig
geklärt.
Es wird angenommen, dass durch die Strukturierung bzw. Prägung der
Formeinlagefolie deren Dehnungseigenschaften und jedenfalls deren
Anpassungsfähigkeit mindestens
soweit verbessert wird, dass die Bildung von Schrumpfrillen dadurch
vermieden werden kann.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von nicht beschränkenden
Beispielen erläutert.
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Beispiel 1
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Eine
kommerziell von der Firma Treofan Germany GmbH, Raunheim, Deutschland,
unter der Bezeichnung EUH erhältliche
weisse Folie aus orientiertem Polypropylen (OPP) mit einer Dicke
von 75 μm
zur Verwendung als bedruckbare Formeinlagefolie für PP- oder
PE-Spritzguss wurde in einem Druckwerk geprägt, indem auf die glatte Walze
ein Sieb aus einander überkreuzenden
Teflon©fäden mit
einer Dicke von etwa 0.2 mm gelegt und die Folie bei einer Druckspannungseinstellung
von 0.2 zwischen der mit dem Sieb belegten Walze und der Gegenwalze
mit Gummibelag geprägt
wurde, so dass die eine Seite der Folie als Prägung eine offene Strukturierung
entsprechend dem Siebmuster mit einer Tiefe von etwa 30 μm zeigte
und die andere Seite nur leicht verformt war.
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Die
so erhaltene strukturierte Folie wurde manuell in einer Tiefziehmaschine
der Firma Adolf Illig, Heilbronn, Deutschland mit einer Formungslage aus
nicht orientiertem Polypropylen mit einer Dicke von 1000 μm in üblicher
Weise nach den Betriebsvorschriften der Herstellerfirma durch Tiefziehen
zu einem Becher geformt.
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Die
Formeinlagefolie war bei dem entstandenen Becher gleichmässig und
ohne Lufteinschlüsse mit
der Formungslage verbunden. Die erhaltenen Becher zeigten kein Einziehen,
d. h. keine Schrumpfrille.
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Beispiel 2 (Vergleich)
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Es
wurde in gleicher Weise wie in Beispiel 1 gearbeitet, jedoch ohne
Prägung
der Formeinlagefolie.
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Der
so durch Tiefziehen erhaltene Becher zeigte grossflächige Lufteinschlüsse und
war für kommerzielle
Zwecke unbrauchbar. Ausserdem war im Bereich der Seitenkanten der
Formeinlagefolie ein innenseitiger Wulst zu erkennen.
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Beispiel 3
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Es
wurde wie in Beispiel 1 mit folgenden Abänderungen gearbeitet: die Formungslage
aus nicht orientiertem Polypropylen mit einer Dicke von 1000 μm wurde vor
der Einführung
in die Tiefziehanlage aber bereits in thermisch plastifiziertem
Zustand über eine
Rolle geführt,
deren Oberfläche
aus einem Muster von kleinen, aneinander grenzenden negativen Pyramiden
in einer Dichte von etwa 60 Einsenkungen pro cm2 versehen
war, so dass die Unterseite der Formungslage annähernd der Darstellung in 4 entsprach.
Ferner wurde die in Beispiel 1 beschriebene Folie, jedoch im ursprünglichen
und beidseitig glatten Zustand verwendet.
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Der
erhaltene Becher zeigte zwischen der Formeinlagefolie und der Formungslage
keine Lufteinschlüsse.
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Beispiel 4
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Ähnliche
Ergebnisse wie in den vorangehenden Beispielen wurden erhalten,
wenn die im fertigen Becher aussen liegende Fläche der Formeinlagefolie durch
Siebdruck mit einer mehrfarbigen Dekoration versehen worden war.
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Beispiel 5
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Ähnliche
Ergebnisse wie in den vorangehenden Beispielen werden erhalten,
wenn anstelle einer Formungsfolie aus Polypropylen eine solche aus HD-Polyethylen
verwendet wird.
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Beispiel 6
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Gleichwertige
Ergebnisse wie in den vorangehenden Beispielen werden auch erhalten,
wenn anstelle einer OPP-Folie eine solche aus einem zur Verwendung
für Tiefziehverfahren
modifizierten Polymer auf Basis von Polystyrol und als Formungslage eine
aus einem damit kompatiblen Polystyrolpolymer verwendet wird.
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Beispiel 7
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Bei
einem bekannten Spritzgussverfahren zur Herstellung von Joghurtbechern
wurde bei Verwendung einer bekannten und kommerziell erhältlichen
Formeinlagefolie viel Ausschussware durch Einziehen an den Bechern
erhalten. Nachdem die Folie in der in Beispiel 1 angegebenen Weise
mit einer Profilierung bzw. Prägung
versehen worden war, konnte problemlos und ohne Ausschussware durch Einziehen
produziert werden.
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Die
obigen Beispiele dienen lediglich der Erläuterung. Für Fachleute ergeben sich ohne
weiteres zahlreiche Abänderungen
der oben erläuterten
erfinderischen Lehre zur Verwendung von Formeinlagefolien (Inmould
films) in Thermoformverfahren der oben angegebenen Art. Wie Fachleuten
bekannt, werden solche Verfahren in der Regel mit Mehrfachformen durchgeführt, die
20, 40, 80 oder mehr Formkörper
in einem Takt herstellen können
und mit Taktzeiten von 10 – 40
pro Minute arbeiten. In diesem Fall sind für das Einbringen der Formeinlagefolien
entsprechend leistungsfähige
Automaten erforderlich, wie dies aus der Spritzgusstechnik an sich
bekannt ist. Ferner können
ausser den oben genannten thermoplastisch verarbeitbaren synthetischen
Polymermassen auch solche aus biologisch abbaubaren Werkstoffen,
wie thermoplastischen Polymilchsäuren
verwendet werden.
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Soweit
in der vorliegenden Beschreibung Zahlenangaben mit Ausdrücken wie "etwa", "circa" oder "ungefähr" qualifiziert sind
bedeutet dies eine zulässige
Abweichung von ± 50%
vom angegebenen Wert.