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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von topf- oder
schalenförmigen Hohlkörpern, insbesondere Gehäuseteilen, aus thermoplastischem Kunststoff,
bei dem der platten- oder folienförmige Kunststoff in heißem, auf Verformungstemperatur
erhitztem Zustand in einer zweiteiligen, auf- und zufahrbaren Form unter Druck an
die Konturen der Form angelegt und nach Abkühlung und Auffahren der Form entnommen
wird.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zum Herstellen von
topf- oder schalenförmigen Hohlkörpern, insbesondere Gehäuseteilen aus thermoplastischen
Kunststoffolien oder -platten, die aus einer heb-und senkbaren Oberform sowie einer
Unterform besteht, welche ortsfest angeordnet ist, wobei Ober- und Unterform im
Bereich der Formtrennebene eine außerhalb des die Konturen des Werkstückes definierenden
Formteiles liegende Einspannzone zum Festlegen der Kunststoffolien oder -platte
aufweisen.
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Das übliche bekannte Vorgehen beim Herstellen von schalenförmigen
Werkstücken aus thermoplastischem Werkstoff besteht, wie eingangs genannt, darin,
daß zunächst eine auf passende Größe zugeschnittene, auf Verformbarkeitstemperatur
erhitzte Kunststoffolie oder -platte in eine aus Ober- und Unterform bestehende
Form eingelegt wird. Alsdann werden die Ränder der Kunststoffolie oder -platte rutschfest
und luftdicht an der Unterform festgespannt. Danach wird in der Unterform, die die
Konturen des zu formenden Werkstückes enthält, ein Vakuum erzeugt und gleichzeitig
die Oberform, meist ebenfalls mit einer der Form des Werkstükkes entsprechenden
Kontur, in die Unterform eingefahren. Vakuum und ggfs. Druck der Oberform dehnen
und formen die Kunststoffolie oder -platte derart, daß sie an den Konturen der formbestimmenden
Teile anliegt Anschließend wird gekühlt, bis das Werkstück so weit formstabil ist,
daß es aus der Form entnommen werden kann.
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Bei diesem Vorgehen müssen eine Reihe von Nachteilen in Kauf genommen
werden. Weil in der Unterform ein Vakuum erzeugt werden muß, muß auch der Rand der
Folie oder Platte entsprechend fest und rutschsicher eingespannt werden. Der innerhalb
dieser Einspannung liegende Bereich der Folie oder Platte
kann infolgedessen
aus seiner ebenen Ausgangsform nur durch Dehnung in die gewölbte und konturierte
Gestalt überführt werden. Das bedeutet um so stärkere Dehnungen, je tiefer und/oder
stärker profiliert eine Kontur des Werkstückes ist. Infolge dieser Dehnung, die
sich nicht gleichmäßig über die Fläche des Werkstückes verteilt, sondern bei grösserer
Tiefe und Profilierung stärker ist als an anderen, weniger tiefen und profilierten,
Bereichen des Werkstückes, haben die Werkstücke nicht nur eine viel geringere Wanddicke
als die Ausgangsfolie oder -platte, sondern sind an bestimmten Stellen extrem geschwächt.
Es gibt keine Möglichkeit, dieser Schwächung durch entsprechend dicker bemessene
Ausgangsfolien oder -platten zu begegnen, weil die Schwächungen zonenweise unterschiedlich
stark sind.
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Infolgedessen sind so hergestellte Werkstücke in bestimmten Bereichen
mechanisch empfindlich und in besonderem Maße bruchgefährdet, was sich als besonderer
Nachteil auswirkt, wenn die Werkstücke als Gehäuse für Maschinen verwendet werden,
die den Belastungen des täglichen Gebrauchs ausgesetzt sind, also vor Schlägen oder
Stößen nicht geschützt werden können.
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Nachteilig ist bei dem bekannten Vorgehen auch, daß entweder ein
langsamer Arbeitstakt bei der Herstellung oder ein erhöhter Energieverbrauch in
Kauf genommen werden müssen. Bevor die Werkstücke aus de Form entnommen werden können,
müssen sie so weit abgekühlt sein, daß sie formstabil bleiben. Infolgedessen müssen
die unmittelbar mit dem Werkstück in Berührung stehenden Flächen der Form an ein
Kühlsystem angeschlossen werden, wenn die Abkühlung schnell erfolgen soll, damit
ein schnellerer Arbeitstakt erzielt werden kann. Kalte Formoberflächen kühlen aber
wiederum die Kunststofffolie oder -platte unzulässig schnell ab, so daß Risse in
der Folie oder Platte entstehen können, wenn mit kalten Formoberflächen geformt
wird.
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Folglich müssen die Formoberflächen nach dem Kühlen sofort wieder
erwärmt werden. Das ist nicht nur konstruktiv aufwendig, sondern erfordert auch
einen ständigen, nicht unerheblichen Energieaufwand.
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Wenn die Form nach Art der Formung durch Matrize und Patrize arbeitet,
ist der Preis erheblich, denn die konturengerechte Ausarbeitung der Formoberflächen
ist aufwendig.
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Schließlich sind dem bekannten Vorgehen hinsichtlich der Größe der
formbaren Werkstücke Grenzen gesetzt.
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Neben anderen Faktoren ist dafür ebenfalls die schon erwähnte Dehnung
der Kunststoffolien oder -platten verantwortlich. Wenn man z. B. nur davon ausgeht,
daß ein halbkugelförmiger Körper mit 1000 mm Durchmesser geformt werden muß, so
muß die Folie oder Platte 500 mm tief gezogen werden. Die Vergrößerung der luftdicht
und rutschsicher eingespannten, kreisförmigen Fläche der Folie oder Platte vom ebenen
Ausgangszustand zur Fläche einer Halbkugel beträgt ein mehrfaches der ebenen Kreisflächengröße
und führt daher zu extremen Verdünnungen der Wandstärke des Werkstückes. Der Sonderfall
der Formung einer Halbkugel ist jedoch selten, in der Praxis kommen andere Formen
viel häufiger vor. Die Kugel ist der Körper mit dem größten Rauminhalt bei kleinster
Oberfläche, somit sind die Dehnungen, d. h. Flächenvergrößerungen, bei anderen Formen,
z. B. Topf, Kegelstumpf usw., erheblich größer. Daher ist diese bekannte Art der
Herstellung für großformatige Werkstücke nicht anwendbar.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte
Verfahren und die eingangs genannte Vorrichtung so auszugestalten, daß bei einfachem
Verfahrensvorgehen,
einfachem Vorrichtungsaufbau mit hoher Taktfolge energiesparend schalen-, topf-
oder andersformige Werkstücke bis zu Abmessungen von 2000 x 2000 mm und mehr ohne
wesentliche Verdünnung der Wandstärke aus ebenen Kunststoffolien oder -platten geformt
werden können.
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Zur Lösung der vorgenannten Aufgabe kennzeichnet sich das eingangs
genannte Verfahren erfindungsgemäß dadurch, daß die Kunststoffolie oder -platte
auf Temperaturen im Bereich von 150-230°C, jeweils abhängig vom Werkstoff, erhitzt,
auf einen glatten Aufnahmerand der Unterform aufgelegt, mittels eines folien- oder
plattenseitig glatten rahmenförmigen Niederhalters gegenüber Zugkräften in der Ebene
der Folie oder Platte gleitend nachgiebig eingespannt, alsdann durch Niederfahren
der mit den Konturen des Formteiles versehenen Oberform unter dem Einfluß des Niederfahrdruckes
über die Konturen der Formteile gezogen wird, wobei gleichzeitig, je nach Größe
des verformungsbedingten Materialverbrauches, Folien- oder Plattenbereiche unter-
oder außerhalb des Niederhalters unter dem Niederhalter in die Form eingezogen werden
und nach Auflage der Oberform auf der Unterform bzw. Beendigung des Verformungsvorganges
durch Einblasen von Druckluft in die Unterform gekühlt wird.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird außerdem durch eine
Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß
die Oberform mit einem entsprechend der Gestalt des Werkstückes konturiertem Formteil
am unteren Ende der Kolbenstange eines lotrecht angeordneten Hydraulikzylinders
mit einer Druckkapazität bis zu 8 t befestigt ist. Die Unterform ist als rahmen-
oder ringförmiger Hohlkörper ausgebildet, dessen Hohlraum den niedergefahrenen Formteil
mit allseitigem Spiel aufnimmt, während der in der Trennebene liegende Rand des
Hohlraumes den voll eingefahrenen Formteil unter Belassung eines der Folien- oder
Plattenstärke entsprechenden Abstandes formtreu umschließt. Der Formteil ist mittels
einer ebenen Randplatte, die allseitig über den Formteil übersteht, an der Kolbenstange
befestigt.
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Die Platte liegt bei eingefahrener Oberform auf der Oberseite der
rahmenförmigen Unterform auf. Die Unterform ist mit einem außerhalb der Randplatte
auf der Folie oder Platte aufliegenden Niederhalte ausgerüstet, welcher die Folie
oder Platte in Arbeitsstellung gegenüber Zug nachgiebig gleitend auf der Oberseite
der Unterform hält und zum Einlegen der Folie oder Platte von der Unterform abhebbar
ist. Die Unterform ist mit einer Druckluftquelle verbunden.
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Das sowohl verfahrens- als auch vorrichtungstechnisch wesentliche
der Erfindung liegt zunächst darin, daß die zu verformende, entsprechend erhitzte
Folie oder Platte aus thermoplastischem Kunststoff auf dem glatten Oberrand der
Unterform mit Hilfe eines folien-oder plattenseitigen glatten, rahmenförmigen Niederhalters
in wörtlicher Bedeutung des Begriffes lediglich niedergehalten, nicht aber, wie
bisher bei den bekannten Verfahren, luftdicht schließend und rutschsicher eingespannt
wird. Natürlich muß der Niederhalter erfindungsgemäß einen gewissen Rutschwiderstand
auf die Folie ausüben, damit eine Verformung eintreten kann, wenn der Formkörper
der Oberform in den Hohlraum der Unterform eingefahren wird. Wesentlich ist bei
diesem Vorgang, daß die Kunststoffolie oder -platte dabei von unten nach oben außen
über den Formkörper der Oberform gestreift oder gespannt wird. Dabei gleitet jeweils
soviel Material der Folie oder Platte unter dem
Niederhalter nach
innen, wie erforderlich ist, um unerwünschte Wandstärkeverluste zu verhindern. Erst
wenn der im Bereich der Trennebene der Form liegende Bereich des Werkstückes ausgeformt
werden muß, wirkt auch die Begrenzung oder der Rand der Unterform gestaltend mit
und legt die Folie oder Platte gegen den Formkörper, bis schließlich der überstehende
Rand der Oberform und der Rand der Unterform die Platte oder Folie zwischen sich
einschließen und glattdrücken.
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Im Gegensatz zu bekannten Herstellungsverfahren und -vorrichtungen
kann das fertige Werkstück mühelos und aufwandsarm in der Form gekühlt werden, indem
Druckluft in den Hohlraum der Unterform eingeblasen wird. Dadurch wird in erster
Linie das Werkstück gekühlt. Die Abkühlung, die die Unterform mit erfährt, ist ohne
Einfluß auf den nachfolgenden Formvorgang, weil ja keine konturierten gekühlten
Flächen vorhanden sind, die mit der Folie oder Platte in Berührung treten könnten.
Damit läßt sich eine rasche Taktfolge erzielen und es wird energiesparend gearbeitet,
weil keine Formteile vorgewärmt werden müssen. Die Abkühlung des Formkörpers der
Oberform ist unbedeutend, weil sie vom Werkstück gewissermaßen überzogen oder umhüllt
ist und daher gegen den kühlenden Einfluß der Druckluft isoliert wird.
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Das Fehlen eines zweiten konturierten Formkörpers verbilligt die
Vorrichtung erheblich; da ein abwechselndes Erwärmen und Abkühlen von Formteilen
nicht erforderlich ist, wird Energie gespart.
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Für die Größe der Werkstücke, die geformt werden sollen, gibt es
nahezu keine Einschränkungen. Die erfindungsgemäß geschaffene Technologie der Verformung
führt zwar auch zu gewissen Dickenabnahmen des Werkstückes gegenüber der Ausgangsfolie
oder -platte, jedoch sind diese voraussehbar und auch durch Verwendung entsprechend
dickerer Folien oder Platten derart kompensierbar, daß die Werkstücke in allen Bereichen
eine vorgeschriebene Soll- oder Mindestwandstärke haben; dies, weil während des
Formens Material unter dem Niederhalter hindurch in das Werkstück nachgesogen wird,
sobald die Zug- oder Dehnungskräfte, die während des Formens auf das Material ausgeübt
werden, eine gewisse Größe erreichen, bei der Wandstärke, verluste eintreten könnten.
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Großformatige Werkstücke müssen naturgemäß auch entsprechend dickwandig
sein, wenn sie eine ihrer Größe entsprechende Stoß-, Schlag-, Bruch- und Zugfestigkeit
usw. haben sollen. Deshalb werden erfindungsgemäß in solchen Fällen auch Platten
und nicht Folien aus thermoplastischem Kunststoff verwendet, die die für die Erzielung
dieser Festigkeitseigenschaften erforderliche Dicke haben. Die hohe Eigensteifigkeit
bzw.
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der Verformungswiderstand derartig dicker Platten aus thermoplastischem
Kunststoff ist auch bei der Verformbarkeitstemperatur so groß, daß beachtliche Verformungskräfte,
teilweise in der Größenordnung mehrerer Tonnen, aufgebracht werden müssen. Solche
hohen Verformungskräfte sind mit dem bekannten Vakuum-Tiefziehverfahren nicht erzielbar.
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Die Erfindung ist daher sowohl als Verfahren als auch als Vorrichtung
gegenüber dem Bekannten ökonomischer hinsichtlich der Anschaffungs- und Wartungskosten
sowie der Betriebskosten, sie führt zu erheblich gesteigerter Taktfolge, zu Werkstücken
wesentlich höherer Festigkeit und erlaubt erstmalig die Formung großformatiger Werkstücke.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen
offenbart.
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Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung
zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in den Zeichnungen dargestellt.
Es zeigt Fig. 1~eine Schemaseitenansicht der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung
bei hochgefahrenen Hydraulikzylindern und ohne Ober- und Unterform, Fig. 2~eine
Schemateilschnittansicht der Vorrichtung mit Ober- und Unterform in geöffnetem Zustand
und Fig. 3~eine der Fig. 2 entsprechende Ansicht mit voll geschlossener Form.
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Als Beispiel für eine besonders wirtschaftlich arbeitende Vorrichtung
zum Herstellen von topf- oder schalenförmigen Hohlkörpern, insbesonders Gehäuseteilen,
aus thermoplastischen Kunststoffolien oder -platten 1 ist in Fig. 1 eine Zweizylinderpresse
2 dargestellt, die aus einem Gestell 3 mit einem Auflagetisch 4 für zwei Unterformen
5 besteht und die oberhalb des Auflagetisches 4 mit zwei lotrecht angeordneten,
mit ihren Kolbenstangen 6 nach unten weisenden Hydraulikzylindern 7 ausgerüstet
ist, welche für eine Druckkapazität von etwa 8 t ausgelegt sind. Am unteren Ende
hat jede Kolbenstange 6 eine Aufnahme- oder Montageplatte 8 für auswechselbare Oberformen
9, die unterschiedliche Formen und Größen haben können.
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Bei dem Beispiel gem. Fig. 2 und 3 besteht die Oberform 9 aus einer
breiten Randplatte 10 und einem an der Unterseite der Randplatte 10 befestigten
Formkörper 11. Im gezeigten Beispiel hat der Formkörper 11 die Gestalt eines in
seiner Mittelebene durchgeschnittenen Torus, besteht also gewissermaßen aus einem
Ring mit halbkreisförmigem Querschnitt. Mit diesem Formkörper 11 lassen sich Halbschalen
12 (Fig. 3) formen, die zusammengesetzt ein in sich geschlossenes ringförmiges Rohr
von 250 mm Durchmesser ergeben, das, in vier oder acht Teile gleicher Größe zerschnitten,
Rohrkrümmer für unterschiedlichste Zwecke liefert.
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Die Unterform 5 besteht für diesen speziellen Fertigungsfall im Prinzip
aus einem Gehäuse 13 mit einem inneren Hohlraum 14, der ebenfalls ringförmig ausgebildet,
jedoch mit einem rechteckigen Querschnitt versehen ist. Die Konturen des Formkörpers
11 in eingefahrenem Zustand gem. Fig. 3 also mit allseitigem Abstand umgibt und
lediglich im Bereich der Trennebene zwischen Unterform 5 und Oberform 9 so bemessen
ist, daß die Kunststoffplatte 1 beim vollständigen Einfahren der Oberform 9 in die
Unterform 5 vom oberen Bereich der Wand, die den Hohlraum 14 begrenzt, glatt an
die Kontur des Formkörpers 11 im Bereich der Randplatte 10 angelegt wird.
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Im übrigen hat die Unterform 5 aber einen glatt und eben ausgebildeten
Rand 15, auf den die auf etwa 150 bis 2300 C erhitzte Kunststoffplatte 1 aufgelegt
wird. Wie Fig. 2 sehr deutlich zeigt, ist die Kunststoffplatte 1 sehr groß bemessen
und hat einen allseitigen, weit über den glatten Rand 15 der Unterform 5 hinausragenden
Überstand 16. Die aufgelegte Kunststoffplatte 1 wird an der Unterform bzw. deren
glattem Rand 15 mittels eines Niederhalters 17 festgehalten, der folien- oder plattenseitig
glatt ist und als Profilrahmen ausgebildet ist. Er ist an einem Ende der Unterform
an einem ausladenden Arm 18 angelenkt und am gegenüberliegenden Ende mittels eines
annähernd U-förmig gestalteten, an der Unterform angelenkten Klemmbügels 19 gegen
die Kunststoffplatte bzw. den glatten Rand 15 der Unterform preßbar. Durch geeignete
Maßnahmen, wie z. B.
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Höhenverstellung des Armes 18 und des Klemmbügels
19
kann der Niederhalter 17 unterschiedlichen Dicken von Kunststoffolien oder -platten
1 angepaßt werden und auf eine bestimmte Klemmkraft eingestellt werden, die erforderlich
ist, um das Material der Kunststoffplatte 1 beim Niederfahren des Formkörpers 9
gegen bzw.
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um dessen Konturen zu legen bzw. zu ziehen. Wichtig ist, daß der Einspanndruck
des Niederhalters 17 gerade soviel Widerstand bietet, daß die Verformung stattfinden
kann, zugleich aber die Gewähr bietet, daß das Material der Kunststoffplatte 1 zwischen
dem oberen glatten Rand 15 der Unterform 5 und unter dem Niederhalter 17 hindurch
nach innen nachrutschen oder -gleiten kann, damit bei der Verformung keine oder
nur unwesentliche Wandstärkeverminderungen der Kunststoffplatte 1 bzw. der im Beispiel
geformten, ringförmigen Halbschale 12 eintreten. Die Fig. 3 veranschaulicht sehr
deutlich, daß nach Vollendung des Verformungsvorganges der Platte 1 zur Halbschale
12 kein Überstand 16 der Kunststoffplatte 1 mehr vorhanden ist, weil dieses Material
während des Formvorganges in die Wandung der Halbschale 12 hineingezogen wurde.
Örtliche Überdehnungen oder Risse können daher nicht entstehen, vielmehr hat die
Halbschale 12 nahezu einheitlich, nur wenig von der Dicke der Platte 1 abweichende
Wandstärke.
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Den Abschluß des Verformungsvorganges vollziehen die Randplatte 10
und der innerhalb des Niederhalters 17 liegende Bereich des glatten Randes 15 der
Unterform 5, indem der nicht zur Halbschale umgeformte Bereich der Kunststoffplatte
1 zwischen den beiden Oberflächen flachgedrückt wird.
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Zur Beschleunigung des Arbeitstaktes kann über einen oder mehrere
Kanäle 20 in der Unterform 5 mittels Steuerung eines Ventiles 21 aus einer Druckluftquelle
in die Unterform Druckluft eingeblasen werden, damit die Halbschale schneller auf
Formbeständigkeitstemperatur abkühlt. Ein Abstreifer oder irgendein anderes Element,
das die Halbschale aus der Form aushebt oder von dem Formkörper 11 abstreift, ist
nicht erforderlich, weil der Niederhalter 17 die Halbschale 12 festhält, während
die Oberform 9 hochgefahren wird. Das Entnehmen der Halbschale 12 ist nach Öffnen
des Verschlußbügels 19 und Hochschwenkens des Niederhalters 17 mühelos durchführbar.
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Die beiden Hydraulikzylinder 7 können synchron oder vorteilhaft abwechselnd
arbeiten, so daß eine hohe Stückzahl pro Zeit erzielt wird. Die Formkörper 11 sind
leicht auswechselbar, die Unterform läßt sich mühelos vom Auflagetisch 4 entnehmen
und durch eine andere ersetzen, wenn ein anderer Gegenstand geformt werden soll.
Es entsteht nur eine minimale Umrüstzeit.
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Alle in der Beschreibung und/oder den Zeichnungen dargestellten Einzel-
und Kombinationsmerkmale werden als erfindungswesentlich angesehen.