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Vorrichtung zur Herstellung von Formen
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Industrielle Produkte durchlaufen auf dem Wege zum Verbraucher in
der Regel Verarbeitungsschritte, in denen das Produkt oder seine Vorstufen geformt
werden.
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Eine große Rolle spielen Formungsverfahren, bei denen von einem Negativ
der herzustellenden Form als einem Werkzeug ausgegangen und mit diesem die gewünschte
Form erzeugt wird. Voraussetzung für die genannten formenden Verfahren ist somit
das Vorhandensein eines formbaren Werkstoffs einerseits und einer Form (eines Werkzeugs)
aus einem, dem zu formenden Material und den Verarbeitungsbedingungen angepaßten
Material.
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In der kunststoffverarbeitenden Industrie bedient man sich beispielsweise
sowohl der Urformung (z.B. durch Blockpolymerisation, durch Gießen oder Pressen
in einer Form) als auch der Umformung thermoplastischer Werkstoffe mittels Biegen,
Ziehen oder mit Hilfe der Vakuumformtechnik.
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Im allgemeinen kann man die Anforderungen an das Werkzeug von dem
zu bearbeitenden Material und von der Qualität des gewünschen Produkts her definieren.
Geringe Toleranzen bei den produzierten Werkstücken machen genaue Werkzeuge aus
hochwertigem Material (in der Regel Metall) erforderlich.
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Gleichermaßen empfiehlt sich die Anwendung stabiler Werkzeuge, wenn
größere Stückzahlen aufgelegt werden sollen.
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So lohnt sich beispielsweise die Herstellung von Formwerkzeugen aus
Metall, wenn in der thermoplasten-verarbeitenden Industrie mehr als 500 Umformungen
mit einem Werkzeug vorgenommen werden sollen. In diesem Falle nimmt man die relativ
hohen Material- und Fertigungskosten eines metallischen Werkzeugs in Kauf.
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Sind die Anforderungen hinsichtlich Formgenauigkeit nicht so hoch
oder soll mit einem Werkzeug nur eine begrenzte Zahl von Urformungen oder Umformungen
vorgenommen werden, so genügen auch Werkstoffe geringerer Qualität, wie Holz, Gips
oder geeignete Kunststoffe.
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Diese Werkstoffe sind im Materialwert billiger und leichter zu bearbeiten
als etwa Metall, müssen aber als Werkzeuge ebenfalls zuerst geformt werden. Ein
Formungsprozeß steht daher in der Regel am Anfang, unabhängig davon, ob das Werkzeug
durch spanabhebende Verfahren, wie Fräsen oder Drehen, oder durch Benutzung von
Formen in einem Press- oder Gießverfahren erzeugt wird. Die Qualität des geformten
Gegenstands hängt in unmittelbar einsichtiger Weise von der handwerklichen Ausführung
des Werkzeugs ab.
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Es bedarf keiner besonderen Erläuterung, daß bereits die Herstellung
formender Werkzeuge, die geometrisch einfache Formen erzeugen sollen, nach einem
der genannten Verfahren handwerkliches Können voraussetzt und dementsprechend teuer
ist. Dies gilt nicht nur für die Fertigung von Werkzeugen aus Metall, sondern auch
für die Fertigung von Werkzeugen aus Holz, Gips usw.
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Damit erschöpfen sich die Schwierigkeiten Jedoch noch nicht.
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Bei der Herstellung von Kunststoff-Werkzeugen zur Formung durch Gießen
(Gießsirup) hat man mit dem Problem der Blasenbildung zu rechnen. Man muß daher
beim Gießen in das Werkzeug auf blasenfreien Einlauf achten. Es wird ohne Vakuum
im Halbvakuum oder im Vollvakuum vergossen, Je nach technischen Ertordernlssen.
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Es wurde gefunden, daß man Formen (Werkzeuge) aus gießbaren, härtenden
Polymerisaten (1) mittels einer Vorrichtung herstellen kann, die aus einem evakuierbaren
System, gebildet aus einer starren, druckfesten Bodenplatte (2), einem darauf angeordneten
druckfesten unteren Rahmen (3) und einer (in etwa ebenen) auf der Oberkante des
Rahmens unverrückbar und schlüssig aufliegenden, bei Raumtemperatur elastisch verformbaren,
luftdichten und wZrmestabllen Folie (4) und einem oder mehreren unterhalb derselben
auf der Bodenplatte angeordneten formgebenden Elementen (5) (Forselementen) sowie
einem zweiten starren, dem unteren Rahmen hinsichtlich der Auflagefläche entsprechenden,
auf der Folie schlüssig aufliegenden oberen Rahmen (6)besteht. Die vorstehend und
Mchfolgend in Klammer angegebenen Zahlen beziehen sich auf die entsprechead gekennzeichneten
Elemente der Zeichnung.
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Teil der vorliegenden Erfindung ist ferner die Verwendung der erfindungsgeiäßen
Vorrichtung zur Herstellung von aus Kunstharzmasse bestehenden Formen (Werkzeugen),
vorzugsweise durch Äufbringen, insbesondere Ausgießen einer Kunstharzmasse auf die
bei Raumtemperatur elastisch verformbare, luftdichte und wärmestabile Folie, die
allseitig vom oberen Rahmen begrenzt wird und unter der auf der Bodenfläche liegend
das bzw. die eigentlichen Forieleiente angeordnet sind und anschließendes Anlegen
von Vakuum an das evakuierbare System, gefolgt vom Aufheben des Vakuums, nachdem
die Form hinreichend gehärtet ist und Abnehmen des erzeugten Gießlings.
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Es ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Voraussetzung
hat, daß auf die bei Raumtemperatur elastisch verformbare, luftdichte und wärmestabile
Folie von der Oberseite her gleichmäßig Druck ausgeübt werden soll, der größer ist,
als derjenige innerhalb des evakuierbaren Systems. In einfacher Weise wird dies
durch Anlegen von Vakuum erreicht. Gegebenenfalls kann Überdruck angewendet werden.
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Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist zweckmäßig so
ausgebildet, daß die einzelnen Elemente beweglich und auswechselbar ausgebildet
sind, aber relativ zueinander fixiert werden können. Die Vorrichtung enthält demnach
Elemente zur mechanischen Fixierung der Teile gegeneinander, beispielsweise durch
Schrauben (7), Klammern u.ä.
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Maßgeblich für die Abmessungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind
die Dimensionen der herzustellenden Form oder des Werkzeugs, wobei an die Bodenplatte
und die bei Raumtemperatur elastisch verformbare, wärmestabile Folie (im folgenden
kurz Folie genannt) hinsichtlich der Flächenabmessungen zu fordern ist, daß sie
genügend groß, d.h.
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mindestens so groß wie der Rahmen, ausgelegt sind.
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Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird beispielsweise
die druckfeste Bodenplatte größer als die Rahmenelemente dimensioniert, um an den
überstehenden Randzonen der Bodenplatte Schrauben anbringen zu können.
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Wird gleichzeitig die Folie entsprechend größer als der Rahmen dimensioniert
und sind an den Rahmen entsprechende Halterungen, im einfachsten Fall seitlich-vorstehende
Plättchen (Zungen), angebracht, so können die genannten Elemente - entsprechend
mit Löchern versehen - durch wenigstens zwei Schrauben fest verschraubt werden.
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Die Abmessungen der beiden Rahmen, insbesondere des unteren, sind
durch die Abmessungen des herzustellenden Werkzeugs gegeben. Letztlich limitierend
ist dabei die elastische Dehnbarkeit der Folie, die sich dem Hiltsgerüst (den Formelementen)
oberflächlich anpassen muß.
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Als ungefähren Richtwert für die Höhe des unteren Rahmens kann die
Höhe des Stützgerüsts, d.h. der Formelemente, angenommen werden. Im Interesse einer
möglichst vielseitigen Verwendbarkeit der erfindungsgernäßen Vorrichtung können
die Rahmen, insbesondere der untere Rahmen, verstellbar ausgelegt oder aus mehreren
zusammengefügten Elementen (die jedes für sich den Anforderungen des Rahmens als
ganzes entsprechen müssen) zusammengesetzt sein. Der obere Rahmen dient zur Fixierung
der Folie und zur seitlichen Begrenzung für das aufgebrachte Gießharz und wird in
der Höhe entsprechend ausgelegt sein.
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Die Rahmen können innerhalb der von der Gießtechnik und der Anwendung
des Vakuums ier gesetzten Grenzen beliebige Abmessungen besitzen, sie können beispielsweise
rund oder rechteckig sein.
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Für die Bodenplatte bestehen materialmäßig keine Beschränkungen, sofern
die geforderten Eigenschaften, d.h. starr und druckfest zu sein, erfüllt sind. Neben
Metall und Kunststoff ist vor allem Holz passender Stärke geeignet. Vorteilhafterweise
wird die Oberfläche von aus Holz gefertigten Bodenplatten vakuumfest versiegelt.
Die vakuumfeste Dichtung gegenüber dem aufliegenden unteren Rahmen kann beispielsweise
durch eine umlaufende Rinne mit einer darin geführten elastischen Dichtung (Gummidichtung,
Moosgummi) erreicht werden. Andere Dichtungen konventioneller Art sind gleichfalls
möglich. Sie können auch an der unteren Kante des Rahmens angebracht sein.
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*) bzw. des Druckes
Bodenplatte und unterer Rahmen
können gegebenenfalls auch aus einem Stück bestehen.
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Zweckmäßigerweise erfolgt die Evakuierung des Systems von der Bodenplatte
her etwa über eine Bohrung vom Rand der Bodenplatte bis zum Zentrum der Bodenfläche
mit einer Öffnung ins Innere des Systems (8). Dabei winde die in der Vakuumtechnik
üblichen Vorrichtungen, wie Druckschläuche, Vakuumhähne mit Entlüftungsventil usw.,
ebenso wie konventionelle Vakuumpumpen Verwendung. Über der Öffnung in der Bodenplatte
wird zweckmäßig eine luftdurchlässige Schicht (9), beispielsweise ein engmaschiges
Drahtnetz in die Bodenfläche eingelassen, um eine gleichmäßig luftdurchlässige,
praktisch ebene Oberfläche herzustellen.
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Die materialmäßigen Anforderungen an den oberen Rahmen, der in den
Flächenmaßen dem unteren Rahmen entspricht, sind nur insofern andere, als er nicht
druckfest und -dicht ausgelegt zu sein braucht, solange kein über Atmosphärendruck
hinausgehender Druck angewendet wird. Als zweckmäßig hat sich die Belegung der Oberfläche
der Bodenplatte zwecks Halterung der Formelemente, beispielsweise mit einer beidseitig
haftenden Folie, welche Luftdurchlässigkeit gewährt, erwiesen.
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Als Material für die bei Raumtemperatur elastisch verformbare, luftdichte
und wärmestabile Folien kommen elastomere Werkstoffe, die diese Kriterien erfüllen,
insbesondere Gummi, infrage.
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Die Forderung nach Wärmestabilität nimmt bezug auf den Wärmeinhalt
des Gießharzes bzw. die erforderliche Wärmehärtung, d.h.
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sie erstreckt sich auf Temperaturen bis ca. 2100C. Die Auswahl des
Elastomeren für die Folie kann von kritischer Bedeutung sein, wenn die anzuwendende
Gießharzmasse aus einer Kunstherzlösung besteht, da dann auf Vereinbarkeit mit dem
Lösungsmittel
geachtet werden muß. Ähnliches gilt für Härter, Beschleuniger
und sonstige Zusätze. Sehr gute Resultate erhält man im allgemeinen bei Verwendung
einer Folie aus Silikongummi.
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Die Gießharzmasse, die im wesentlichen aus flüssigem oder gelöstes
Kunststoff, Härter, Beschleuniger und eventuellen Fullstoffen besteht, wird in bekannter
Weise vorbereitet, d.h. in der Regel unmittelbar vor dem Vergießen angesetzt.
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Bei der Arbeitsvorbereitung ist darauf zu achten, daß die Kunstharzmasse
meist nur kurze Zeit (Minuten bis Stunden) verwendbar ist.
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Nach dem Gießen wird Vakuum an das System angelegt.
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Das Anlegen des Vakuums hat zur Folge, daß die Folie unter dem Außendruck
nachgibt und sich an das Stützgerüst, d.h. an die Formelemente anlegt, wobei der
Gieß-Sirup die somit geschaffenen Vertiefungen ausfüllt. Bei der Verwendung eines
Gummituches als Folie gemäß einer bevorzugten Ausführungsart erhält man ideale Oberflächen.
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Inr Extremfall überzieht die Folie die das Hilfsgerüst bildenden Formelemente
wie eine Haut. Durch Dosieren des Vakuums lassen sich Abstufungen der Anpassung
der Folie an die Formelemente und damit eine gewisse Variationsbreite der Formgebung
erreichen.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich - wie bereits
ausgeführt - dadurch, daß der bei Anlegen des Vakuums auf die Folie ausgeübte Druck
(atmosphärischer Druck) in der technisch üblichen Weise verstärkt werden kann. Die
Anwendung von Überdruck bringt zusätzliche Vorteile, wenn die Aufgabe besteht, scharfe
und extrem ausgeprägte Konturen der Formelemente ~abzubilden". Dabei wird im allgemeinen
der anzuvendende Druck 10 atü nicht überschreiten.
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Die Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung zeichnen sich durch
Einfachheit aus. Bei Anwendung mäßigen Überdrucks genügt es im einfachsten Falle,
die Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens mit einem Blasdeckel zu versehen,
der funktional dem Boden des Systems entspricht und analog gestaltet sein kann.
Bei Anwendung höherer Drucke muß auf eine, dem Druck angepaßte Ausgestaltung der
Vorrichtung geachtet werden. Dabei können bekannte Lösungen der Technik übernommen
werden.
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Ein besonders erwünschter Vorteil des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung liegt darin, daß es gestattet, als Formelemente eine Vielzahl von Objekten
zu verwenden, wobei dann deren Kombination das gewünschte geometrische Muster des
Werkzeugs ergibt. Als Beispiel, das jedoch die in der Erfindung liegenden gestalterischen
Möglichkeiten nur andeuten kann, sei auf die Bildung eines Musters aus konvexen
Halbkugeln beim Werkzeug (Typ eines Presswerkzeugs für Eierschachteln) verwiesen,
das bei der erfindungsgemäßen Verwendung einer gewissen Menge von Rohrsegmenten
(Durchmesser 200 mm, Höhe 100 mm) als Formelemente erzeugt werden kann.
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Die beigefügten Zeichnungen dienen zur Veranschaulichung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung, ohne die Erfindung auf eben diese Ausführungsform zu beschränken.