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Verfahren und Vorrichtung zur thermischen Umformurg von
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thermoplastischem Halbzeug Gebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zur thermischen Umformung von thermoplastischem Halbzeug zu Formteilen,
die im Bereich ihrer Randzonen zug- und druckfest eingespannt werden können.
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Stand der Technik Formteile aus thermoplastischen Kunststoffen finden
z.B.
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als Bau- und Verglasungselemente weite Anwendung. Nicht unproblematisch
ist die Befestigung derartiger Bau- bzw.
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Verglasungselemente untereinander und an den zur Verfügung stehenden
Unterkonstruktionen.
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Im Gegensatz zu Glas spielt die thermische Ausdehnung bei den Kunststoffen
eine nicht zu vernachlässigende Rolle.
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Für die Befestigung bzw. Halterung und Verbindung von Formteilen aus
thermoplastischen Kunststoffen sind zahlreiche, mehr oder wenig werkstoffgerechte
Lösungen entwickelt worden. Dazu gehört z.B. das Einspannen der Randzone (oder Teile
derselben) von Formteilen in Profilen.
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Häufig kann bei dieser Art der Verbindung nicht auf die Verwendung
von Guinmielementen bzw. anderen geeigneten plastisch verformbaren Werkstoffen zwecks
Dichtung und Pufferung verzichtet werden.
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Aufgabe Die Befestigung bzw. Verbindung von Formteilen durch Einspannen
ihrer Randzonen bringt Probleme hinsichtlich der Druck- und Zugfestigkeit einer
solchen Befestigung mit sich.
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Die auf. Bauelemente einwirkenden Kräfte wie Winddruck oder -sog,
die Belastung durch Schnee usw. sind bisweilen so groß, daß die dafür eingesetzten
Formteile aus den Halterungs- bzw. Befestigungsprofilen herausgerissen werden.
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Handelt es sich um randseitig eingespannte Formteile, so bieten die
in der Regel glatten Oberflächen der Randzonen der eingespannten Formteile wenig
Widerstand, wenn (Zug -Kräfte mit einem entsprechend großen Vektor in der Ebene
ihrer Befestigung auf sie einwirken. Diesem Problem überlagert sich oft ein zweites.
Beim Erwärmen des Halb zeugs (Kunststoff-Folie bzw. -Piatte) auf Umformtemperatur
wird der Einspannrand in der Regel weniger schnell und weniger stark erwärmt als
die Zonen der eigentlichen Umformung. Vielfach schließt die Zone der eigentlichen
Umformung direkt an den Einspannrand an, so z.B. beim Formen von Lichtkuppeln, Leuchtenabdeckungen
usw. In der Folge zeigt sich oft, daß die Übergänge zwischen den eingespannten und
den umgeformten Partien die Schwachstellen der Formkörper im Hintliek auf die mechanischen
und gelegentlich auch' die optischen Eigenschaften darstellen.
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Lösung Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß den Ansprüchen ermöglicht
die Lösung der beiden genannten Probleme mit e i n e r technischen maßnahme.
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Selbst wenn die Technik die Unterstützung der Befestigung von eingespannten
Formkörpern durch Anbringen von Noppen in den Randzonen bereits erwogen haben mochte,
so standen dieser Lösung doch schwerwiegende technische Bedenken entgegen. Insbesondere
mochten zusätzliche Arbeitsgänge zur Herstellung der Noppen (1 4) als unabwendbar
betrachtet werden.
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Durch das Vorhandensein der Löcher (8) ergibt sich für den eingespannten
Randbereich des Halbzeugs (3) bei der Bestrahlung mit dem Infrarotstrahler eine
erheblich höhere Temperatur als bei Verwendung der herkömmlichen Halterungsrahmen.
(In der Regel werden die Löcher (8) rund ausgeführt, es sind jedoch auch andere
geometrische Ausführungen möglich, z.B. quadratische).
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Wendet man das Verfahren auf die t#nfor#nung von Methylmethacrylat-Halbzeug
an, scßkann die Temperaturdifferenz gegenüber den früheren Ausführungsformen ca.
600C betragen.
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Als thermoplastisches Ausgangsmaterial für die Umformung kann z.B.
PMMA und modifizierte Acrylatkunststoffe, Polycarbonat, Polystyrol, Polyvinylchlorid,
Celluloseacetat, Acetobutyrat, Celluloid, Polyethylen, Polypropylen u.a. verwendet
werden. Die Schichtdicke des umzuformenden Halbzeugs liegt in der Regel zwischen
1 und 6 mm.
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Die dabei erforderlichen thnfarmbedingungen sind an sich bekannt.
Die tknformtemperaturen betragen z.B. ca.
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130 - 1600C für PMMA und ca. 180 bis 220°C für PC.
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Die erfindungsgemäßen Umformvorrichtungen schließen Sich eng an den
Stand der Technik an (vgl. Vieweg und F. Esser, Kunststoff-Handbuch, Band X, Polymethacrylate,
S. 536-580, Hanser 1975). Je nach dem tknformverfahren kann dem Halterungsrabmen
(?) noch ein Dichtungsring zugecrdnet sein.
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Diese Uinformvorrichtung (t#nformstation = FIG. 1 und 2) richtet sich
in ihren äußeren Abmessungen in erster Näherung nach den Dimensionen des umzuformenden
Halbzeugs.
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Je nach der gewünschten Geometrie können die üblichen (Skelett)-Werkzeuge
(6) zur Anwendung kommen. Die Halterungsrabrnen (1) und (2) sind im allgemeinen
ca 1 bis 10 cm breit.
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Sie können, wie auch das übrige Werkzeug, aus geeignetem Material,
vorwiegend tall vorwiegendaus aber auch aus Kunststoff, Holz, Glas usw. hergestellt
sein.
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Die erfindungsgemäß anzuformenden Noppen (14) haben (in Abhängigkeit
von dem Durchmesser der Löcher (8) bzw. (9)) in der Regel einen Durchmesser von
5 bis 80 mm, als Richtwert ca. 15 mm. Ihre Höhe wird bis zu einem gewissen Grad
von der Schichtdicke des Halbzeugs mitbestimmt. (FIG. 3) Als Richtwert für die Höhe
der Noppen (t4) können # z.B.
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ca4 mm angenommen werden.
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Durch Einpassen formgebender Einsätze (12) (vorzugsweise mit durchgehender
Bohrung um Vakuum anlegen zu können) in die Hohlkammern, kann die Form der Noppen
(14) beeinflußt werden. So können mit Hilfe der formgebenden Einsätze z.B.
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konische, pyramidenförmige, pilzförmige und ähnliche Noppen geformt
werden. (FIG.4) Falls man die Noppen (14) nicht durch Anwendung von Druck oder vorzugsweise
Vakuum formt, kann man sie auch mittels eines formgebenden Werkzeugs, z.B. eines
stempelförmigen Werkzeugs, erzeugen. Das stempelförmige Werkzeug wird durch das
Loch (8) hindurchgeführt, bis es die - ungefähr auf Ihnformtemperatur befindliche
Kunststoffschicht des Halbzeugs erreicht hat und anschließend durch das Loch (9)
hindurch bis die Noppe (14) die gewünschte Höhe erreicht hat.
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Die einzelnen Stempeleinheiten können ihrerseits wieder auf einem
Rahmen angeordnet sein, der in etwa dem Halterungsrahmen (1) entspricht, wobei in
der Regel auf jedes Loch (8) eine Stempeleinheit entfällt.
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Den Noppen (14) können auf Seiten der gewöhnlich zur Dichtung etc.
verwendeten elastischen bzw. Gummielemente der Befestigungsprofile Aussparungen
entsprechen. Bei manchen Ausführungen z.B., wenn die Noppen (14) überschneidende
Partien besitzen, beispielsweise wenn sie pilzförmig ausgebildet sind, können sie
in die entsprechenden Gummielemente eingeklipst werden, was zur verbesserten Verankerung
beitragen kann. Die Löcher (8) und -davon abhängig - (9) besitzen in der Regel einen
Durchmesser von 5 bis 80 mm, vorzugsweise 5 bis 18 mm. Sie sind so angebracht, daß
sich die Noppen (14) in geeignetem
Abstand vom Rand des Formteils
befinden. Geeignete Abstände sind z.B. 5 bis 60 mm.
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Als weiterer Anhalt kann dienen, daß im Interesse der weiteren Bearbeitbarkeit
die Fläche der Noppen (14) nicht mehr als ca. 30 7o der Fläche der einzuspannenden
Randbereiche ausmachen soll. Meist ist die Anordnung der Löcher (8) und (9) eine
regelmäßige, jedoch kann im Interesse einer möglichst gleichmäßigen Erwärmung der
Randzonen auc empirisch eine andere zweckmäßige Anordnung der Löcher getroffen werden.
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Die Zahl der Noppen (14) pro Uingeneinheit der Kante des Halbzeugs
(3) bzw. des fertigen Formteils beeinflußt natürlich innerhalb gewisser Grenzen
die Druck- bzw.
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Zugfestigkeit der Verankerung des eingespannten Formteils.
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In erster Näherung wächst die Druck- und Zugfestigkeit mit steigender
Noppenzahl bzw. Dichte, aber es kann dann eine Grenze erreicht werden, wenn die
mechanischen Eigenschaften des zur Dichtung bzw. Pufferung verw-endeten elastischen
bzw. Gummielemente beeinträchtigt werden.
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In der Praxis haben sich z.B. Noppen (14) in Abständen von 5 bis SC
mm, vorzugsweise 15 bis 20 mm bewährt.
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Falls die Formung der Noppen (14) mittels #ruck(Blasen) geschieht,
liegt der Druck etwa bei Acrylglas gewöhnlich in der Größenordnung von 30 bis 100
kp/cm2.
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Das folgende Beispiel dient zur Arläuterung der Erfindung.
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Verfahren zur Herstellung von pyramidenförmigen Verglasungselementen
Die Unformvorrichtung entspricht FIG. 1. Halbzeug (3) aus PMMA in Plattenform, Schichtdicke
ca. 4 mm, wird in den gewünschten Abmessungen zwischen den oberen (1) und dem unteren
(2) Halterungsrahmen eingespannt. (Vgl.
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Esser-Vieweg loc.cit.) Der obere Halterungsrahmen (1) ist in Aufsicht
in FIG. 2 dargestellt. Er kann zweckmäßig über Scharniere (16) fest mit dem unteren
Rahmen (2) bzw. dem Korpus (4) verbunden sein.
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Mit Hilfe des Infrarot-Strahlers (7), der flächenmäßig die ganze in
Fig. 2 dargestellte Oberfläche einschließlich der im Halterungsrahmen (1) eingespannten
Kunststoffplattenflächen (3) abdeckt, wird auf Uinformtemperatur (von ca. 200°C)
erwärmt. Nun wird mit Pressluft (ca. 0,3 - 0,4 bar) die erwärmte Kunststoffplatte
(3) so weit nach oben geblasen, daß das ianformwerkzeug (6) nur eine Endstruktur
zu erzeugen braucht.
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Es besteht weiterhin die Möglichkeit, anstelle der vorbeschriebenen
Formgebung mit Pressluft die erwärmte Kunststoff platte durch Vakuum in den vakuumfesten
Korpus (4) hineinzuziehen und ein Strukturwerkzeug von oben auf die so vorgeschleppte
erwärmte Kunststoffplatte zu pressen.
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Der Unformeffekt ist bei beiden Verfahren der gleiche.
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Während des Erwärmungsvorganges durch den Infrarotstrahler (7) wird
bevorzugt das nicht abgedeckte Material im eingeklemmenten Zustand im Halterungsrahmenbereich
gleichfalls auf die Verformungstemperatur von 2000C erwärmt.
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Auch in den Bereichen der Kunststoffplatte, die durch die Halterungsrahmen
(1) und (2) abgEdeckt wird, wird noch eine Verformungstemperatur von mind. 150°C
im Material erreicht. Während des vorbeschriebenen Verformungsvorganges der Hauptfläche
werden mit Hilfe des unteren Halterungsrahmens und der integrierten Vakuumkammer
(2) die Noppen (14) mit oder ohne fortgebende Einsätze (12) angeformt. Die Erwärmung
der Kunststoffplatte kann z.B.
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auch im Warmluftofen bei gleichen tbiformmöglichkeiten wie vorstehend
beschrieben erfolgen.