DE2708901A1 - Verfahren zur verformung einer tafel, folie o.dgl. aus thermoplastischem material sowie vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zur verformung einer tafel, folie o.dgl. aus thermoplastischem material sowie vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

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Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. W.Beyer Dipl.-Wirtsch.-Ing. B.Jochem
6 Frankfurt/taain Staufenstraße 36
Redifon Plight Simulation Limited
Crawley, Sussex'RH1O 2RL
Großbritannien
Verfahren zur Verformung einer Tafel, Folie ο.dgl. aus thermoplastischem Material sowie' Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verformung einer Tafel, Folie o.dgl. aus thermoplastischem Material, welches zunächst gleichmäßig auf eine solche Temperatur erwärmt wird, daß das Material elastisch wird, wonach durch Erzeugung einer Druckdifferenz zwischen beiden Seiten der Tafel eine Verformung herbeigeführt und danach das Material unter Erhalt der Verformung abgekühlt wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine zur Durchführung des genannten Verfahrens geeignete Vorrichtung.
Das eingangs bezeichnete Verfahren wird auch als Freiform— Blasverfahren bezeichnet. Es wird in bekannter Weise derart ausgeführt, daß eine Tafel aus thermoplastischem Material am Umfang fest eingespannt, dann erwärmt und an-
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schließend durch eine Druckdifferenz verformt wird. Meistens wird die Druckdifferenz mittels einseitiger Beaufschlagung mit Preßluft erzeugt. Zusätzlich oder alternativ kann die andere Seite der Tafel mit Unterdruck beaufschlagt werden. In Einzelfällen kann, das Material auch durch Vakuum gegen eine konkrete körperliche Form gezogen werden. Wenn keine derartige Form benutzt wird, findet die Verformung allein infolge der Druckdifferenz statt, und in diesem Fall bestimmt sich die Verformung danach, daß der Gegenstand bestrebt ist, ähnlich wie im Falle einer Seifenblase, die
kleinste Oberfläche zu erhalten. Dies hat zur Folge, daß sich beim Freiform-Blasverfahren eine kugelförmige Gestalt der hergestellten Gegenstände ergibt, wobei der am weitesten von der Einspannung entfernte Bereich die größte Annäherung an die kugelförmige Gestalt zeigt.
Das genannte Verfahren ist insgesamt sehr einfach, wenn
kleinere, dünne Tafeln benutzt werden und die Genauigkeitsanforderungen nicht zu hoch sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfahren dahingehend zu verbessern, daß es auch für größere, dickere Formstücke geeignet ist, welche z.B. für optische Spiegel oder Reflektoren von Radiowellen bestimmt und daher mit sehr hoher Genauigkeit herzustellen sind.
Vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß wenigstens während der Verformung ein kühlendes oder wärmendes Fluid an mindestens einer Fläche der Tafel entlang geführt wird, mittels desseidie Temperatur des zu verformenden Teils gesteuert wird.
In bevorzugter Ausführung ist das zur Temperatursteuerung während des Formverfahrens benutzte Fluid Luft.
Zur Durchführung des Verfahrens hat sich eine Vorrichtung als geeignet erwiesen, die durch einen Hohlraum gekennzeichnet ist, welcher durch die zu verformende Tafel nach
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Art einer Membran teilbar, und welcher zu beiden Seiten der Tafel mit unterschiedlichem Druck beaufschlagbar ist, wobei unabhängig von dieser Druckdifferenz wenigstens auf einer Seite der Tafel am Tank Ein- und Auslaßöffnungen für ein kühlendes oder wärmendes Fluid vorgesehen sind.
In einer praktischen Ausführungsform steht die eine Seite des Hohlraums mit der Außenatmosphäre in Verbindung, während die andere Seite mit Unterdruck beaufschlagt ist und gleichzeitig auch die Ein- und Auslaßöffnungen für das zur Temperatursteuerung benutzte Fluid, im Beispielsfall Luft, aufweist.
Es besteht die Möglichkeit, daß der mit der Außenatmosphäre in Verbindung stehende Teil des Hohlraums eine feste Form enthält, die im wesentlichen dieselbe Form hat wie der herzustellende Gegenstand am Ende der Verformung, während auf der anderen Seite der mit Unterdruck beaufschlagte Teil des Hohlraums eine entsprechende Gegenform enthält. Das zu verformende Material berührt während der gesamten Verformung keine der beiden Formen. Diese haben vielmehr nur den Zweck, das Luftvolumen zu verringern.
In weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung hat die auf der Unterdruckseite angeordnete konkave Gegenform über ihre Fläche verteilt eine Vielzahl von Poren oder Perforationen, die den Durchtritt von Luft gestatten, so daß der Vakuumanschluß einen über die gesamte Fläche der Gegenform gleichmäßigen Strömungsanteil zur Strömung des der Temperatursteuerung dienenden Luftstroms beiträgt. Man erreicht auf diese Weise einen im wesentlichen laminaren Luftstrom entlang der konvexen Seite des Formkörpers.
In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung wird die zu verformende Tafel aus thermoplastischem Material in einem geeigneten Ofen auf eine gleichmäßige Temperatur vorgewärmt, bei welcher das Material elastische Eigenschaften annimmt. Danach findet dann das Freiformblasen in einem
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geeigneten Tank statt, wobei die Temperatur des Formstücke dadurch gesteuert wird, daß ein wenigstens an einer Seite desselben entlang geleiteter Luftstrom je nach Bedarf Wärme zu- oder abführt. Anschließend wird dann das Formstück auf eine Temperatur gekühlt, bei welcher es formfest und steif ist.
Vorzugsweise wird die Abkühlgeschwindigkeit während der Abkühlperiode 'durch den genannten Pluidstrom gesteuert.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen vereinfachten Querschnitt durch einen einseitig mit Unterdruck beaufschlagbaren Tank, in welchen ein Formstück eingspannt ist;
Fig. 2 eine vereinfachte perspektivische Darstellung des in Fig. 1 gezeigten Tanks zusammen mit angeschlossenen Aggregaten.
Der in Fig. 1 im Querschnitt gezeigte, insgesamt mit 1 bezeichnete Tank ist so ausgelegt, daß er rechteckige Tafeln 2 aus thermoplastischem Material in der Größe von z.B. 3,7 x 2,4 m aufnehmen kann, die jeweils mittels Klammern 3 an ihrem Umfang eingespannt werden. In diesem Zustand bildet die eingesetzte Platte jeweils eine Membran, welche den Hohlraum des Tanks 1 in zwei gegenseitig isolierte Kammern trennt.
Im Ausführungsbeispiel herrscht in der mit Bezug auf Fig.1 rechten Kammer Unterdruck. Diese Kammer wird begrenzt durch eine bewegliche Hohlform 4, welche innerhalb der Tankwandung angeordnet und luftdurchlässig ist. Diese Seite des Tanks ist über einen Sauganschluß 6 mit einem in Fig. 1 nur durch einen Pfeil 8 angedeuteten Saugsystem verbunden, welches einen bestimmten Unterdruck erzeugt.
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Die Kammer, höheren Drucks befindet sich gemäß Fig. 1 auf der linken Seite der Tafel 2 und wird begrenzt durch ein bewegliches Hohlteil 5t welches über eine Anschlußöffnung oder einen Kanal 7 mit der AußenatmoSphäre in Verbindung steht, wie durch einen Pfeil 9 angedeutet.
Erfindungsgemäß wird im Ausführungsbeispiel ein Luftstrom 12 an der niedefdruckseitigen Oberfläche der Tafel 2 entlang geleitet.' Die Luft tritt durch einen Einlaßkanal 10 in den Tank ein und wird durch einen Auslaßkanal 11 abgesaugt.
Zur weiteren Erläuterung der Punktionsweise der dargestellten Vorrichtung wird auf Fig. 2 Bezug genommen. Danach ist der Saugkanal 6 über ein Unterdruck-Steuerventil 20 mit einem Reservoir bzw. Ausgleichsbehälter 21 verbunden, in welchem mittels einer Saugpumpe 22 ein paj>tielles Vakuum aufrecht erhalten wird. (
Die Ein- und Auslaßkanäle 10, 11 bilden gemäß Fig. 2 Teil eines im wesentlichen geschlossenen Luft-Strömungskreislaufs. Der Auslaßkanal 11 fördert aus dem Tank 1 abgesaugte Luft mittels einer Saugpumpe 23 entweder zu einem mit Rippen versehenen Wärmeaustauscher 24, von wo aus die dort gekühlte oder erwärmte Luft über den Einlaßkanal 10 wieder zum Tank zurückgeleitet wird, oder unter Umgehung des Wärmeaustauschers über eine mit einem Ventil 25 versehene Bypassleitung unmittelbar wieder zum Einlaßkanal Ein Motor 26 treibt ein Gebläse 27, dessen Luftstrom über z.B. elektrische Heizspiralen 28 und dann durch den Wärmeaustauscher 24 geleitet wird. Wenn die Heizspiralen 28 nicht eingeschaltet sind, kühlt der an den Rippen des Wärmeaustauschers 24 entlangstreichende Luftstrom die im geschlossenen Strömungskreislauf zwischen dem Ein- und Auslaßkanal 10, 11 zirkulierende Luft. Wenn jedoch die Heizspiralen 28 mittels eines Schalters oder Anschlusses 29 eingeschaltet sind, wird heiße Luft durch den Wärmeaustauscher geblasen, wodurch die im geschlossenen Kreislauf geführte Luft erwärmt wird.
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Eine einstellbare Anzapfleitung 30 am Saugkanal 6 verhindert, daß Luft aus dem geschlossenen Kreislauf, die durch Diffusion durch die Form 4 gemäß den in Fig. 1 eingezeichneten Pfeilen verlorengeht und den Tank über den Saugkanal 6 verläßt,"einen für jede gewählte Dicke der Tafel 2 und das Maß deren Verformung bestimmten maximalen Durchfluß übersteigt.
Mit der beschriebenen Vorrichtung können z.B. sehr große geformte Kunststoffteile so genau hergestellt v/erden, daß sie, wenn ihre Oberfläche einen geeigneten reflektierenden Überzug erhalten hat, dazu benutzt werden können, um einer Vielzahl von Betrachtern optische Bilder unmittelbar darzustellen.
Es kann dazu z.B. eine große Tafel von etwa 3,5 x 2,5 m und 12 mm Dicke in einem Ofen auf eine Temperatur erhitzt werden, bei welcher das thermoplastische Material elastische Eigenschaften annimmt. Diese Temperatur liegt für Methylmetacrylat bei etwa 1500C. Während das Material noch heiß ist, wird die Tafel in entsprechend der gewünschten Form des Randbereichs ausgebildete Klammern eingespannt und dann einem Druckunterschied zwischen beiden Hauptflächen ausgesetzt, wodurch die Tafel durch freies Blasformen bzw. Saugformen in eine annähernd teilkugelförmige Gestalt gebracht wird. Nachdem die gewünschte Oberflächenkrümmung erreicht ist, wird die Tafel abgekühlt und bildet dann eine in sich steife Schale.
Im Anschluß an die erfindungsgemäßs Herstellung der Schale kann diese in bekannter Weise noch gereinigt, poliert, gehärtet oder beschichtet werden, und der fertige Spiegel kann ebenfalls in bekannter Weise montiert werden.
Dort, wo die Tafel von der sie umfassenden Klammer gehalten wird, nimmt sie natürlich am äußeren Rand die Form der Klammer an. Unter dem Einfluß der Druckdifferenz auf beiden Seiten der Tafel während des Formvorgangs verhält sich die
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Tafel nach dem Prinzip der Innehaltung der kleinsten Oberfläche bei einer bestimmten Druckdifferenz, welche für das Maß der Verformung bestimmend ist. Eine nicht abgestützte, kontinuierliche Hülle würde eine kugelige Form annehmen. Eine am Rand in Klammern eingespannte Tafel entwickelt bei der Verformung unmittelbar neben dem in den Klammern gehaltenen Rand einen Übergangsbereich und wird in dem von den Klammern ajn weitesten abliegenden Bereich annähernd kugelförmig. Wenn der Übergang glatt sein soll, müssen die physikalischen Eigenschaften der Tafel durchgehend homogen sein, insbesondere müssen die Temperaturgradienten über die Oberfläche und Dicke der Tafel minimal sein.
Wenn nacheinander mehrere identische Teile hergestellt werden sollen, kommt es nicht nur auf die Gleichmäßigkeit jeder einzelnen Schale in sich an, sondern auch darauf, daß die als Ausgangsmaterial dienenden Tafeln gleichmäßig sind. Da das thermoplastische Material ein elastisches "Erinnerungsvermögen11, d.h. Rücksprungeigenschaften hat, bedingt das Erfordernis der Gleichmäßigkeit vor allem eine ganz gleichmäßige Kühlung jedes Formstücks, unabhängig von irgendwelchen Änderungen der äußeren Bedingungen.
Diese Erfordernisse können erfindungsgemäß dadurch erfüllt werden, daß ein Fluid wenigstens an einer Hauptfläche der zu verformenden Tafel entlang geleitet wird, und zwar vorzugsweise sowohl während des Formvorgangs als auch während der Abkühlung, denn die Temperatur des Fluidstroms kann sehr genau eingestellt und beliebig geändert werden, um je nach Bedarf der Tafel während des Form- und Abkühlvorgangs Wärme zuzuführen bzw. abzuführen.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird der Fluidstrom an der konvexen Oberfläche der zu verformenden Tafel 2 entlang geführt, welche sich auf der Unterdruckseite des Tanks befindet, während die gegenüberliegende Seite des Tanks und der Tafel vom Atmosphärendruck beaufschlagt werden. Um die
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Tafel 2 in den Tank einsetzen zu können, sind dessen beide Hälften 4 und 5 zu trennen und unter Einspannung einer Tafel 2 nieder miteinander zu vereinigen. Thermometer mit Fernanzeige, von denen in Fig. 2 eines bei 31 angedeutet ist, sorrLe nicht dargestellte optische Meßinstrumente dienen dazu, während der Verformung der Tafel 2 die Temperatur und Oberflächenkrümmung zu überwachen. Eine Feineinstellung der im Kreislauf geführten Luftströmung wird mittels des Ventils 25 in der Bypassleitung zum Wärmeaustauscher 24 erreicht. Wie in Fig. 2 angedeutet, sind in praktischer Ausführung eine Vielzahl von Einlaßkanälen 10* und entsprechend auch eine Vielzahl von Auslaßkanälen 11 * für den Luftstrom vorgesehen, so daß sich eine im wesentlichen laminare Luftströmung von oben nach unten über die gesamte konvexe Fläche der Tafel 2 ergibt.
Die gemäß Fig. 1 getroffene Anordnung ist so , daß in Abwesenheit einer Tafel 2 an der Oberfläche der Form 4 ein Coanda-Effekt entsteht, da Luft durch die Oberfläche der Form 4 hindurchdiffundiert. Diese Eigenschaft gestattet, daß schon eine Luftströmung stattfindet, bevor die beiden Hälften des Tanks unter Einspannung einer zu verformenden Tafel aus thermoplastischem Material geschlossen werden, wodurch Störungen im ersten Stadium der freien Blasverformung vermieden werden.
In bevorzugter Ausführung haben die Auslaßkanäle 11, 11* bis zur Saugpumpe 23 einen verhältnismäßig niedrigen Strömungswiderstand, während die Einläßkanäle 10, 10* einen höheren Strömungswiderstand bieten. Die Einlaßkanäle 10 arbeiten also immer unter Drosselbedingungen.
Während die Tafel 2 in die gewünschte (gemessene) OberflächenkrUmmung verformt wird, hält die resultierende Membran innerhalb des Tanks 1 immer ein konstantes Volumen und einen konstanten Querschnitt der niederdruckseitigen Kammer aufrecht. Eine gleichförmige Druckdifferenz zwischen den Einlaßkanälen 10 und Auslaßkanälen 11 sorgt also für eine
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wiederholbare Luft—Austauschgeschrindigkeit innerhalb dor niederdruckseitigen Kammer des Tanks 1. Diene Austaurrhgeschwindigkeit erfordert eine lineare, abwärts Berichte Le Luftgeschwindigkeit an der Tafeloberflache, die größer ist als die kritische Reynolds-Zahl, bei welcher sich das Htrömungsverhalten ändert. L'an erreicht damit für aufeinanderfolgende Formvorgänge vorhersagbare, v/iederholbare Luftströmungen.
Während des Kühlvorgangs der verformten Tnfei 2 int es erforderlich, die Abkühlgeschwiniigkeit bei auf eimndcri'ol ,^enden Arbeitszyklen ganz gleichmäßig zu steuorn. Die Abkühl— geschwindigkeit hängt teilweise von den physikalinchon !Eigenschaften des Kunststoffs unter der Flüchennpnnnun/; ab, velche der gev/ünschten gebogenen Form entspricht, und ir;t weiterhin abhängig vom Formwechsel der Tafel, welcher r/fischen der Form und Kühltemperatur stattfindet. Di ο erforderliche Abkühlgeschv.'indigkeit und die notwendigen Änderungen der Abkühlgeschwindigkeit während der, Abkühlvorg-in.^n können entweder durch Berechnung oder empirisch festgestellt werden. Die Übereinstimmung der augenblicklichen Temperaturen mit den erforderlicher. Temperaturen kann während des Abkühlvorgangs mittels der Thermometer 31 kontinuierlich überwacht werden.
Patentansprüche
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. 3 -' n77

Claims (10)

  1. Patentansprüche
    Verfahren zur Verformung einer Tafel, Folie o.dgl. aus thermoplastischem Material, welche zunächst gleichmäßig auf eine solche Temperatur erwärmt wird, daß daa Material elastisch wird, wonach durch Erzeugung einer Druckdifferenz zu beiden Seiten der Tafel eine Verformung herbeigeführt und danach das Material unter Erhalt der Verformung abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens während der Verformung ein kühlender oder wärmender Fluidstrom an mindestens einer Fläche der Tafel entlanggeleitet wird, mittels dessen die Temperatur des zu verformenden Teils gesteuert wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Seite der Tafel mit Unterdruck und die andere Seite mit Atmosphärendruck beaufschlagt wird, und daß für den Fluidstrom Luft verwendet wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auch während der Abkühlung des verformten Teils ein Fluidstrom an wenigstens einer Seite desselben entlanggeleitet wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidstrom an der mit Unterdruck beaufschlagten Fläche der Tafel entlanggeleitet wird.
  5. 5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4» gekennzeichnet durch einen Hohlraum (1, 4, 5), welcher durch die zu verformende Tafel (2) nach Art einer Membran teilbar,
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    und v/elcher zu beiden Seiten der Tafel mit unterschiedlichem Druck beaufschlagbar ist, wobei unabhängig von dieser Druckdifferenz v/enigstens auf einer Seite der Tafel am Tank (1) Ein- und Auslaßkanäle (10, 1O1, 11, 11·) für ein kühlendes oder wärmendes Fluid vorgesehen sind.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum auf der Niederdruckseite der Tafel (2) durch eine mit Zwischen— abstand zu dieser angeordnete Form (4) begrenzt ist, deren Gestalt im wesentlichen der Krümmung der verformten Tafel (2) im Endzustand entspricht, und daß die Ein- und Auslaßkanäle (10, 10', 11, 11·) für das kühlende oder wärmende Fluid auf gegenüberliegenden Seiten des durch die Tafel (2) und die Form (4) begrenzten Zwischenraums angeordnet sind.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Form (4) luftdurchlässig, z.B. porös, ist.
  8. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (1, 4» 5) durch einen aus zwei trennbaren Hälften bestehenden Tank (1) gebildet ist, zwischen dessen Hälften (4, 5) die Tafel (2) einspannbar ist, wobei die eine Seite des Tanks über eine Öffnung (7) mit der Außenatmosphäre in Verbindung steht, während die andere Seite über einen Saugkanal (6) mit Unterdruck beaufschlagbar und an die Ein— und Auslaßkanäle (10, 11) für das kühlende oder wärmende Fluid angeschlossen ist.
  9. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß beide Seiten des Tanks einander korrospondierende Formen (4) enthalten, welche in ihrer Gestalt der Endform der
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    Tafel (2) angepaßt und mit solchem Zv/ischenabstand zu dieser angeordnet sind, daß sie bei der Formung an keiner der beiden Formen zur Anlage kommt.
  10. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- und Auslaßkanäle (10, 11) Teil eines Strömungskreislaufs sind, der einen Wärmeaustauscher (24) einschließt,, in welchem das im Kreislauf geführte Fluid wahlweise aufheizbar oder kühlbar ist.
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DE19772708901 1976-03-03 1977-03-02 Verfahren zur verformung einer tafel, folie o.dgl. aus thermoplastischem material sowie vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens Withdrawn DE2708901A1 (de)

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