DE3410550C2

DE3410550C2 - Verfahren zur Herstellung eines kuppelförmigen Formkörpers mit flachem Rand

Info

Publication number: DE3410550C2
Application number: DE3410550A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Phys.Dr. 6100 Darmstadt Buck; Friedrich 6112 Gross-Zimmern Hanstein
Original assignee: Roehm GmbH Darmstadt
Current assignee: Roehm GmbH Darmstadt
Priority date: 1984-03-22
Filing date: 1984-03-22
Publication date: 1986-01-23
Also published as: IT8567274A0; DE3410550A1; GB2155848B; US4663094A; GB8507518D0; GB2155848A; IT8567274A1; FR2561579B1; FR2561579A1; IT1184917B

Description

Beider allgemein gebräuchlichen Umformtechnik zur Herstellung derartiger Teile wird eine Kunststofftafel ganzflächig mit einem IR-Strablerfeld über die Erweichungstemperatur erhitzt, der Rand auf einer Umformvorrichtung fest eingespannt und die vom Rand eingeschlossene Fläche umgeformt Nach der Abkühlung des Formteils wird die Randeinspannung gelöst und das Formteil aus der Umformvorrichtung entnommen (vgL Firmenschrift Imperial Chemical Industries Ltd, 1960, »Acrylic Materials, Shaping by Heat Forming«, Seite 12, 13,64,65).

Nachteile des Standes der Technik

Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß der flache Rand des erkalteten Formteils infolge innerer Spannungen unregelmäßig verzogen ist und deshalb in der Regel

abgeschnitten werden muß. Die Spannungen entstehen durch die unterschiedlichen Bedingungen während der Abkühlphase. Während sich die nicht eingespannten . Teile unterhalb der Erweichungstemperatur beim Abkühlen thermisch kontrahieren können, ist der fest eingespannte Randbereich daran gehindert Die Verwerfung des Randes läßt sich nicht dadurch verhindern, daß die Spannwerkzeuge frühzeitig nach der Abkühlung unter die Erweichungstemperatur gelöst werden. Noch schwerere Verwerfungen im Randbereich treten auf, wenn die eingespannte Tafel in der Umformvorrichtung selbst durch Wärmestrahlung erhitzt wird. Jedoch wird gerade eine solche Arbeitsweise aus Gründen einer wenig arbeitsaufwendigen Herstellungsweise angestrebt

Aufgabe und Lösung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines kuppeiförmigen Kunststofformkörpers mit flachem Rand durch Erhitzen einer ebenen Kunststofftafel durch Wärmestrahlung bis zum thermisch erweichten Zustand, Umformen der vom Rand der Tafel eingeschlossenen Fläche durch mechanischen oder pneumatischen Druck, während der Rand durch einen ausreichenden Spanndruck festgehalten und nicht umgeformt wird, und Abkühlen der umgeformten Fläche.

Bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art soll das Erhitzen der Kunststoff tafel in der Umformvorrichtung selbst vorgenommen werden und in einer kurzen Bearbeitungszeit ein kuppeiförmiger Kunststoffformkörper mit flachem, nicht verzogenem Rand hergestellt werden. Weiterhin soll das nachträgliche Besäumen des fertigen Formteils entfallen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß man die Wärmestrahlung nur auf die von dem Rand eingeschlossene Fläche einwirken läßt und den Rand spannungsios läßt oder höchstens einen Spanndruck einwirken läßt, der eine thermische Dehnungsbewegung des Randes zuläßt, bis die der Wärmestrahlung ausgesetzte Fläche eine Temperatur erreicht hat, dia dicht unterhalb der Erweichungstemperatur des Kunststoffes liegt, nach diesem Zeitpunkt und vor Beginn der Umformung den Spanndruck so erhöht daß der Rand festgehalten wird, und die Strahlungseinwirkung solange fortsetzt, bis die der Wärmestrahlung ausgesetzte Fläche die Erweichungstemperatur überschritten hat, die Strahlungseinwirkung beendet und die auf Umformtemperatur erwärmte Fläche umformt und danach bis dicht unter die Erweichungstemperatur abkühlen läßt, sodann die auf den Rand einwirkende Spannkraft aufhebt oder so vermindert, daß sie thermische Kontraktionsbewegungen zuläßt, und die Abkühlung fortsetzt.

Vorteile und gewerbliche Anwendung der Erfindung

Es können Kunststofftafeln eingesetzt werden, die bereits die Randabmessungen der herzustellenden Formkörper haben. Das hergestellte kuppeiförmige Formteil

hat einen ebenen oder nur sehr schwach verzogenen Rand, der im allgemeinen nirgends mehr als 1 cm von der ebenen Form abweicht. Dadurch kann ein nachträgliches Besäumen oder Abtrennen des Randes entfallen, so daß der dafür früher erforderliche Arbeitsaufwand eingespart und Materialverlust vermieden wird. Der flache ebene Rand erleichtert die wasserdichte Verlegung der Formkörper auf einer ebenen Unterkonstruktion wesentlich.

Das Verfahren der Erfindung eignet sich in besonderem Maße zur Herstellung von Lichtkuppeln, vor allem solchen von niedriger Scheitelhöhe, oder ähnlichen schalen-, wannen- Ode' kuppeiförmigen Kunststoffteiien mit flachem Rand.

Die Kunststofftafel

Es können ebene Kunststofftafeln einer Dicke von z. B. 1 bis 12 mm in allen verfügbaren Abmessungen eingesetzt werden. Bei rechteckigen Zuschnitten liegen die Kantenlängen meistens zwischen 300 und 30CO mm, jedoch sind größere oder kleinere Tafeln ebenfalls verarbeitbar. Runde, elliptische, dreieckige oder andere polygonale Tafeln lassen sich mit entsprechenden Spannwerkzeugen ebenfalls verarbeiten.

Geeignete Kunststofftafeln können beispielsweise aus Polyvinylchlorid, Celluloseestern, schlagfesten Polystyrolkunststoffen und dergleichen bestehen. Bevorzugt sind Acrylglas, also gegossenes oder extrudiertes PoIymethylmethacrylat oder Methylmethacrylat-Copolymerisate, und Polycarbonatkunststoffe, insbesondere Bisphenol-A-Polycarbonat Die Kunststoffe können klar und farblos, weiß oder farbig getrübt, opak eingefärbt oder oberflächlich gemustert sein. Die Oberflächen können glatt, mattiert oder beliebig strukturiert sein. Vorzugsweise werden glasklare, glatte Acryigias- oder Polycarbonattafeln eingesetzt.

Ausführung der Erfindung

Eine zweckmäßige Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figur erläutert Die Figur zeigt einen Querschnitt der Umformvorrichtung mit der eingespannten Tafel vor der Umformung und — in gestrichelten Linien — nach der Umformung.

Die Kunststofftafel 1 kann kalt in die Umformvorrichtung eingelegt werden. Jedoch läßt sich die Bearbeitungszeit abkürzen, wenn die Tafel vorgewärmt ist. Ihre Temperatur soll wenigstens 10⁰C unter der Erweichungstemperatur (Glastemperatur nach DIN 7 724) liegen; bei Acrylglas also nicht über 95° C und bei PoIycarbonat nicht über 140⁰C.

Die Umformvorrichtung enthält einen Arbeitstisch 2 und einen darauf angebrachten unteren Spannrahmen 3 mit einer ebenen Oberseite. Auf diesen wird die Tafel 1 aufgelegt Auf den Rand der Tafel wird der obere Spannrahmen 4, der eine ebene Unterseite hat, zunächst ohne hohen Spanndruck aufgelegt Wenn der Spannrahmen 4 aus Vierkantstahlrohren besteht, kann er mit seinem Eigengewicht auf dem Rand lasten. Auf jeden Fall darf der Spanndruck nur so hoch sein, daß sich der Plattenrand beim Erhitzen der Tafel entsprechend der thermischen Dehnung zu bewegen vermag. Sollte der Rahmen zu schwer sein und die thermische Dehnung behindern, kann er mittels Federn 5 etwas angehoben werden. Die Spannkraft soll möglichst ausreichen, um ein Verwerfen des Randes während des Aufheizens zu unterdrücken und das Herausgleiten der erweichten Platte zu verhindern. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung heizbarer Spannrahmen 3, 4. Sie können z. B. elektrische Heizbänder 6,7 im Innern enthalten. Zweckmäßig ist eine Temperatur etwa 20 bis 50⁰C unterhalb der Erweichungstemperatur des Kunststoffes; z. 3. etwa 55°C bis 85°C für Acrylglas, 105°C bis 135°C für PoIycarbonat. Die Temperatur der Spannrahmen kann dauernd gleichbleiben.

Sobald der obere Spannrahmen 4 aufgelegt ist, kann die Wärmestrahlungsqueile 8 eingeschaltet werden, welche auf die Fläche der Kunststofftafel innerhalb des oberen Spannrahmens 4 einwirkt Erst wenn diese Fläche durchgehend bis in die Nähe der Erweichungstemperatur erwärmt ist, wird die Spannkraft durch Anziehen der Spannmittel 9 in solchem Maße erhöht, daß sich der Rand bei der weiteren Erhitzung der Tafel nicht mehr bewegt Die Einwirkung der Wärmestrahlung wird festgesetzt, bis die Erweichungstemperatur des Kunststoffes überschritten ist uni sine Temperatur im thermoplastischen bzw. thermoelastischen Umformbereich erreicht ist Erfahrungsgemäß liegt ein günstiger Zeitpunkt zum Erhöhen der Spannkraft nach dem Ablauf von ²Z₃ bis ³U der gesamten Einwirkungsdauer der Wärmestrahlung bis zum Erreichen der Umformtemperatur. In diesem Zustand kann die Tafel nach üblichen Verfahren umgeformt werden. Sie kann durch pneumatischen Ober- oder Unterdruck berührungsfrei zu einer Kuppel gewölbt oder in der gleichen Weise in eine Hohlform gedrückt werden. Ebenso können mechanische Formwerkzeuge von einer oder von beiden Seiten einwirken. Das Verfahren der Erfindung eignet sich besonders zur Herstellung von Formkörpern, deren größte Höhe nicht mehr als die Hälfte oder drei Viertel des kleinsten Flächendurchmessers der Ausgangstafel beträgt Da das Problem der Kandverwerfung vor ailem bei verhältnismäßig flachen Formkörpem auftritt, ist die Herstellung von Formkörpern mit einer größten Höhe von höchstens einem Viertel des kleinsten Durchmess?rs eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.

Die Wärmestrahlung wird in der Regel vor, gewünschtenfalls während oder nach dem Umformen abgeschaltet Nach dem Umformen läßt man den umgeformten Bereich unter Aufrechthaltung der Formkräfte bis dicht unter die Erweichungstemperatur abkühlen und vermindert die Spannkraft wieder so, daß sie thermische Kontraktionsbewegungen des Kunststoffkörpers zuläßt In diesem Stadium kann bereits der obere

so Spannrahmen entfernt und der Formkörper abgenommen werden und — möglichst auf einer ebenen, wenig wärmeleitenden Unterlage, beispielsweise aus Holz — aubernalb der Umformvorrichtung vollends auskühlen. Ausschlaggebend für den Erfolg des Verfahrens ist die unbehinderte thermische Expansionsfähigkeit der Tafel während der Aufheizzeit und die Kontraktionsfähigkeit während der Abkühlung. Wenn diese Expansions- und Kon'-aktionsbewegungen durch eine feste Einspannung des Randes unterbunden werden, so entstehen Spannungen im Übergangsbereieh zwischen dem Rand und dem umgeformten Bereich, die zu den Verwerfungen im Randbereich führen. Diese Spannungen sind um so größer, je breiter der Temperaturbereich ist, den dei umzuformende Bereich durchläuft, während der Rand fest eingespannt ist. Es wird daher angestrebt, diesen Bereich so klein wie möglich zu halten. Er ist am kleinsten, wenn die Spannmittel 9 erst unmittelbar vor der Umformune. also nach dem Errei-

chen der Umformtemperatur fest angezogen werden. Wenn jedoch die Gefahr besteht, daß sich die Tafel nach dem Erweichen unter ihrem Eigengewicht aus dem Spalt der Spannrahmen herauszieht, so wird die Spannkraft schon kurz vor Erreichen der Erweichungstempe- ratur erhöht Dies kann in dem Bereich bis etwa 10° C unterhalb der Erweichungstemperatur geschehen. Wird die Spannkraft zu früh erhöht, so muß mit zunehmenden Randverwerfungen gerechnet werden.

Während der Abkühlung muß die hohe Spannkraft mindestens so lange aufrechterhalten bleiben, bis die Erweichungstemperatur unterschritten worden ist, jedoch muß sie gelöst oder vermindert werden, bevor der umgeformte Bereich mehr als etwa 20° C unter die Erweichungstemperatur abgekühlt ist.

Die unerwünschten Spannungen werden weiterhin durch den Temperaturunterschied zwischen dem umgeformten Bereich und dem eingespannten Randhereich beeinflußt Besonders spannungsarme Formkörper werden erhalten, wenn eine vorgewärmte Platte zwischen vorgewärmte Spannrahmen von etwa gleicher Temperatur gelegt wird. Diese Maßnahme verkürzt gleichzeitig die Bearbeitungsdauer in der Umformvorrichtung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines kuppeiförmigen Kunststofformkörpers mit flachem Rand durch Erhitzen einer ebenen Kunststofftafel durch Wärmestrahlung bis zum thermisch erweichten Zustand, Umformen der vom Rand der Tafel eingeschlossenen Fläche durch mechanischen oder pneumatischen Druck, während der Rand durch einen ausreichenden Spanndruck festgehalten und nicht umgeformt wird, und Abkühlen der umgeformten Fläche, dadurch gekennzeichnet, daß man die Wärmestrahlung nur auf die von dem Rand eingeschlossene Fläche einwirken läßt und den Rand spannungslos läßt oder höchstens einen Spanndruck einwirken läßt, der eine thermische Dehnungsbewegung des Randes zuläßt, bis die der Wärmestrahlung ausgesetzte Fläche eine Temperatur erreicht hat, die dicht y?terhalb der Erweichungstemperatur des Kunststoffes liegt, nach diesem Zeitpunkt und vor Beginn der Umformung den Spanndruck so erhöht, daß der Rand festgehalten wird, und die Strahlungseinwirkung solange fortsetzt, bis die der Wärmestrahlung ausgesetzte Fläche die Erweichungstemperatur überschritten hat, die Strahlungseinwirkung beendet und die auf Umformtemperatur erwärmte Fläche umformt und danach bis dicht unter die Erweichungstemperatur abkühlen läßt, sodann die auf den Rand einwirkende Spannkraft aufhebt oder so vermindert, daß sie thermische Kontraktionsbewegungen zuläßt, und die Abkühlung fortsetzt

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine voiifläct 3 auf eine Temperatur, die mindestens 10° C unter der Erweichungstemperatur iiegt, vorgewärmte Tafel eingesetzt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannkraft mittels Spannwerkzeugen erzeugt wird, die auf eine Temperatur von 20 bis 50° C unterhalb der Erweichungstemperatur des Kunststoffes erwärmt sind

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dauurch gekennzeichnet, daß der Zeitraum der Bestrahlungsdauer, in dem keine oder eine begrenzte, thermische Dehnungsbewegungen des Randes zulassende Spannkraft auf den Rand ausgeübt wird, ²Ii bis ³A der gesamten Bestrahlungsdauer ausmacht

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erwärmte Fläche auf eir.e größte Höhe von höchstens einem Viertel des kleinsten Flächendurchmessers der Kunststofftafel über die Ausgangsfläche umgeformt wird.

Stand der Technik