DE3629553A1 - Verfahren und vorrichtung zur oberflaechenbearbeitung von kunststoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Oberflächenbearbeitung von Kunststoffen mit einem aufgeheizten Werkzeug.

Das Aufheizen von Werkzeugen zum Zwecke einer leichteren, spangebenden Bearbeitung von Werkstücken an der Oberfläche gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist bekannt. So wird in der amerikanischen Patentschrift 3 52 696 ein Werkzeug beschrieben, welches im wesentlichen aus einem Griff und einer beheizbaren Klinge besteht und dazu dient, beispielsweise Farbe von Oberflächen unter geringem Kraft­ aufwand zu entfernen oder gefrorene Nahrungsmittel mit dem gleichen Vorteil zu zertrennen. Dieses Werkzeug ist aus­ schließlich für manuelle Tätigkeiten bestimmt. Ferner ist es in all seinen Ausgestaltungen nicht dafür geeignet, prä­ zise Schnitte durchzuführen oder es zum Zwecke der Erlan­ gung einer guten Oberflächenqualität einzusetzen.

Aus der Offenlegungsschrift 21 19 654 ist eine Erfindung zum Entfernen von Klebeplaketten von Unterlagen bekannt. Sie bezieht sich auf ein Verfahren und ein Werkzeug mit welchem aufgeklebte Etiketten oder ähnliches in schabender Form von der Oberfläche entfernt werden können. Das Werk­ zeug besteht ebenfalls aus einem Handgriff und einer daran befestigten, beheizbaren Schabplatte. Die Durchführung des Verfahrens ist jedoch gekennzeichnet von einer eher scha­ benden als schneidenden Vorgehensweise.

Die Erfindung geht von Problemen aus, die man bei der her­ kömmlichen zerspanenden Kunststoffverarbeitung antrifft. Einmal zählt dazu die Reibungswärme bei der Spanbildung. Während des Schnittvorganges soll der größte Teil dieser Wärme mit dem Span abgeführt werden, damit sich Werkzeug und ggf. Werkstoff nicht stark aufheizen. Sie kann beim Schneiden von Kunststoffen so groß sein, daß das Werkzeug ausglüht und/oder ein Schmieren eintritt. Außerdem treten zwischen Werkzeug und Werkstück Kräfte auf, die vor allem dann auf die Präzision negativen Einfluß haben können, wenn der Werkstoff stark elastisches Verhalten aufweist.

Nach einer durchgeführten Zerspanung liegt eine mehr oder weniger große Rauhtiefe an der Werkstückoberfläche vor. Es treten nämlich Ausbrüche, Rillen und Erhebungen auf, wenn man sie unter einem Mikroskop betrachtet. Andererseits be­ nötigt man sehr glatte Oberflächen, insbesondere bei trans­ parenten Werkstücken aus Polymethylmethacrylat oder ähnli­ chem, deren Schnittflächen aufwendig poliert werden müs­ sen.

Zwar kann man die aufgezählten Probleme je nach Kunststoff­ sorten mehr oder weniger gut abschwächen, indem man bei­ spielsweise eine Kühlflüssigkeit zusetzt, welche die über­ schüssige Wärme aufnimmt und den Schmiereffekt unterbindet oder man kann die Eigenbewegung der Moleküle im Werkstoff verringern, indem man ihn auf eine tiefere Temperatur ab­ kühlt und damit die Elastizität des Werkstoffes herab­ setzt. Man kann aber nicht erreichen, daß die Probleme vollkommen beseitigt werden und weitere Nachbearbeitung überflüssig ist.

Schließlich gibt es noch die Möglichkeit, besondere Mate­ rialien für die Werkzeugschneiden, wie z. B. Diamant, zu verwenden. Es zeigt sich aber, daß die aufgezählten Neben­ effekte bei der Oberflächenbearbeitung von Kunststoffen immer wieder hervortreten.

Bekannt ist ferner die Bearbeitung von beispielsweise Poly­ methylmethacrylat mit einer offenen Gasflamme dahingehend, daß die Oberfläche von entsprechenden Werkstücken kurzzei­ tig angeschmolzen wird und Unebenheiten zerfließen können. Dadurch erlangt sie eine sehr geringe Rauhtiefe und damit verbunden hervorragende optische Eigenschaften. Nachteile sind u. a. aber darin zu sehen, daß sich scharfe Körperkan­ ten in Rundungen verwandeln.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Lösung, mit welcher die spanabhebende Oberflächenbearbeitung von Kunst­ stoffen und/oder die Feinbearbeitung der Werkstückoberflä­ che zum Ziele einer geringen Rauhtiefe und präziseren Bear­ beitung in einem einzigen Arbeitsgang durchgeführt werden können und besonders hohe Oberflächenqualitäten mit einer mittleren Rauhtiefe in der Größenordnung von weniger als 3 µm erzielbar sind.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs be­ schriebenen Art dadurch gelöst, daß ein beheiztes Werkzeug eingesetzt und zwischen der zu behandelnden Oberfläche und dem Werkzeug eine Relativbewegung ausgeführt wird.

Dadurch wird erreicht, daß der Kunststoff mit geringeren Schnittkräften zerspant werden kann, was sich als vorteil­ haft in bezug auf Deformationen im Werkstoff auswirkt und eine präzisere spangebende Bearbeitung zur Folge hat. Ein weiterer Vorteil liegt in der Oberflächenqualität. Herkömm­ liche Zerspanung, wie beispielsweise Drehen, Fräsen oder ähnliches, hinterläßt eine Oberfläche, die sich durch Aus­ brüche, Rillen und anderem auszeichnen. Führt man dem Schnittwerkzeug soviel Heizenergie zu, daß der Kunststoff an der Schneide kurzzeitig geschmolzen wird, dann können kleine Unebenheiten noch während dem Schnitt zerfließen. Dadurch wird erreicht, daß insbesondere transparente Werk­ stücke an den bearbeiteten Flächen glasklar und lichtbre­ chende Rauhtiefen vermieden werden.

Die Erfindung sieht in Abwandlung auch vor, daß mit dem Werkzeug eine spanlose Bügelbewegung durchgeführt werden kann. Dadurch wird erreicht, daß nur Erhebungen an der Kunststoffoberfläche geschmolzen und die Vertiefungen auf­ gefüllt werden. Es kann aber auch eine gleichmäßige dünne Schmelzenschicht erzeugt werden, wobei die Unebenheiten, wie bei der spanenden Bearbeitung, zerfließen. In beiden Fällen wird die Rauhtiefe wesentlich kleiner.

In der Erfindung ist nicht festgelegt, auf welche Art und Weise die Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück erzeugt wird. Sie kann dadurch erreicht werden, daß das Werkzeug um eine Hauptachse rotiert und radiale Flächen, wie sie beispielsweise in Bohrungen anzutreffen sind, nach­ bearbeitet werden können. Vor allem bei der Erstellung von Passungen in elastischen Werkstoffen bietet sich das be­ schriebene Bearbeitungsverfahren an. Reibungswärme und De­ formationen im Werkstoff erschweren gerade dort die präzi­ se Bearbeitung.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß man das Werkzeug starr anordnet und das Werkstück daran vorbeibewegt. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, dieses Bearbeitungsverfahren mit einem anderen, beispielsweise Sä­ gen, zu kombinieren.

Man kann sich nun vorstellen, daß sowohl Werkzeug wie auch Werkstück für sich getrennt jeweils eine Bewegung ausfüh­ ren, welche sich zu einer Relativbewegung gegeneinander überlagern. Das entspricht z. B. der fräsenden Bearbei­ tung, wo Umfangsbewegung und Vorschubbewegung zur Spaner­ zeugung kombiniert werden.

Vorteilhaft ist es, wenn die Werkzeugkante bzw. -fläche, welche in Kontakt steht mit dem zu bearbeitenden Kunst­ stoff, einer speziellen Oberflächenkontur angepaßt ist. Da­ durch wird erreicht, daß man Profile erzeugen kann, die mit Hilfe herkömmlicher Zerspanungsverfahren nur umständ­ lich und in mehreren Arbeitsverfahren zu fertigen sind.

Die Erfindung sieht auch vor, daß die Werkzeugtemperatur in einem großen Bereich verändert werden kann. Sie wird zweckmäßigerweise in Abhängigkeit von Bearbeitungsgeschwin­ digkeit, zu bearbeitendem Kunststoff und anderen Parame­ tern zur Erzielung einer optimalen Bearbeitung einge­ stellt. Es ist an dieser Stelle hervorzuheben, daß die Tem­ peratur erfindungsgemäß bis weit über die Zersetzungstempe­ ratur hinaus des zu bearbeitenden Kunststoffes liegen kann.

Die eingangs genannte Aufgabe wird bei einer Vorrichtung dadurch gelöst, daß diese mit einem beheizten ggf. spanab­ hebendenWerkzeug ausgerüstet ist, wobei weitere Ausgestal­ tungen in den Ansprüchen 12 ff. angegeben sind.

Zur Aufbringung der Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück kann nach den darauf folgenden Vorrichtungsan­ sprüchen das Werkzeug oder das Werkstück jeweils allein oder auch kombiniert bewegt werden. Die Erfindung sieht vor, daß in Ausgestaltung der Vorrichtung das Werkzeug mit einem Profil versehen ist. Dadurch ergibt sich die Möglich­ keit der Bearbeitung von beispielsweise gekrümmten Flä­ chen. In der Vorrichtung ist die Werkzeugtemperatur in ei­ nem weiten Bereich mit Hilfe der geregelten Energiezufuhr einstellbar.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung sowie an­ hand der Zeichnungen. Diese zeigt in

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Werkzeugs,

Fig. 2 die Stirnansicht des Werkzeugs entsprechend der Blickrichtung 3,

Fig. 3 eine Ausführung der Einzelheit 7,

Fig. 4 eine alternative Lösung zu Einzelheit 7 sowie in

Fig. 5 Schema für eine Maschinenausführung.

Im abgebildeten Ausführungsbeispiel besteht das Werkzeug aus einem Vierkantprofil 1, welches durchbohrt ist und ei­ ne Heizpatrone 9 enthält. Die Heizenergie wird über die frei herausragenden Drahtenden 2 der Heizpatrone zuge­ führt. An den Kanten 4, 5, 6 und 7 des Vierkantprofiles 1 können Schneiden ausgestaltet werden.

Fig. 3 und Fig. 4 enthalten zwei Beispiele für eine derar­ tige Ausgestaltung. So wird bei der Fig. 3 die Schneiden­ kante 7 gebildet, indem sich die Spanfläche 13 und die Freifläche 10 unter dem Keilwinkel 12 schneiden. Das Werk­ zeug bewegt sich unter dem Freiwinkel 11 in Richtung des Pfeiles 17 an dem Werkstück 15 vorbei. Dabei trennt die Schneidenkante 7 einen Span von dem Werkstück 15 ab.

Während sich in Fig. 3 Werkzeug und Werkstück näherungswei­ se nur auf einer Linie berühren, zeigt Fig. 4 die Möglich­ keit, daß zwischen Werkzeug und Werkstück eine Kontaktflä­ che 16 besteht. Die Schnittkante 7 a ergibt sich aus der Spanfläche 13 a und der Kontaktfläche 16.

Beide Alternativen der Schneidengeometrie zeichnen sich da­ durch aus, daß die Spanflächen 13 und 13 a im wesentlichen radial zur Heizpatrone 9 ausgerichtet sind. Die Oberflä­ chenbearbeitung des Kunststoffes muß nicht unbedingt span­ gebend erfolgen. Dazu kann das Werkzeug in Bewegungsrich­ tung 17 oder entgegengesetzt dazu über die Kunststoffober­ fläche gleiten, ohne daß Material entfernt wird.

Auf welche Art und Weise die Schneidenkanten 7 und 7 a bzw. die Kontaktfläche 16 aufgeheizt werden, ist hier von unter­ geordneter Bedeutung. Das Werkzeug selbst kann z. B. als Widerstandselement ausgebildet sein und durch einen Strom­ kreis aufgeheizt werden. Ebensogut kann die Heizenergie aber mit Hilfe von Induktionsverfahren oder ähnlichem zuge­ führt werden.

In Fig. 5 ist schematisch eine mögliche Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Zu erkennen ist eine Vorrich­ tung 18, bestehend aus einem Maschinengestell 23 und dem Werkzeug 1 sowie Führungselemente 22. Das Werkzeug 1 ro­ tiert um eine Hauptachse 21. Tangential dazu bewegt sich das Werkstück 15 in Richtung 19 entgegen dem Drehsinn 20 des Werkzeugs 1. Die Führungselemente 22 sorgen für eine präzise Führung des Werkstücks 15.

Natürlich ist das beschriebene Ausführungsbeispiel der Er­ findung noch in vielfacher Hinsicht abzuändern, ohne den Grundgedanken zu verlassen. So können die Winkel des Werk­ zeugs zum Werkstück in allen drei Raumachsen verändert wer­ den, um den Bearbeitungsvorgang zu optimieren. Außerdem ist der Werkstoff der Schneide nicht festgelegt. Er kann sowohl metallischer als auch keramischer Natur sein.

Claims (17)

1. Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Kunststoffteilen, dadurch gekennzeichnet, daß ein beheiztes Werkzeug eingesetzt und zwischen der zu behandelnden Oberfläche und dem Werkzeug eine Relativbewe­ gung ausgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein beheiztes, spangebendes Werkzeug eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während der Relativbewegung eine spanlose Bügelbewe­ gung ausgeführt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß ein um eine Hauptachse rotierendes Werkzeug eingesetzt wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß von einem Werkzeug eine translatorische Bewegung ausge­ führt wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei stehendem Werkzeug die Hauptbewegung vom Werkstück ausgeführt wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung vom Werkzeug und dem Werkstück ausgeführt wird, wobei eine Überlagerung der Einzelbewegungen zur Re­ lativbewegung erfolgt.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß ein pofilliertes und/oder mit Konturen versehenes Werk­ zeug eingesetzt wird.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeugtemperatur sowohl unterhalb der Glastempe­ ratur, zwischen Glastemperatur und Fließtemperatur, zwi­ schen Fließtemperatur und Zersetzungstemperatur, als auch oberhalb der Zersetzungstemperatur des zu bearbeitenden Kunststoffes einstellbar ist.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem beheizten Werkzeug (1) ausgerüstet ist.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug als beheiztes, spanabhebendes Werkzeug (1) ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch ein um eine Hauptachse rotierendes Werkzeug.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch ein sich translatorisch bewegendes Werkzeug.

14. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie bei stehendem Werkzeug mit einer Einrichtung zur Bewegung des Werkstückes ausgerüstet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit Einrichtungen zur gleichzeitigen Bewegung vom Werkzeug und Werkstück ausgerüstet ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 10 bis 15, gekennzeichnet durch ein profilliertes und/oder mit Konturen versehenes Werkzeug.

17. Vorrichtung nach Anspruch 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer Heizeinrichtung (9) zur Beheizung des Werkzeuges (1) ausgerüstet ist, mit der eine Temperatur un­ terhalb der Glastemperatur, zwischen Glastemperatur und Fließtemperatur, zwischen Fließtemperatur und Zersetzungs­ temperatur oder auch oberhalb der Zersetzungstemperatur des zu bearbeitenden Kunststoffes einstellbar ist.