DE60200993T2

DE60200993T2 - Vorrichtung mit Hohlform zum Vakuumformen tiefgezogener Gegenstände

Info

Publication number: DE60200993T2
Application number: DE60200993T
Authority: DE
Inventors: Frederick James Homburg Jr.; Robert Kurbel
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2001-09-07
Filing date: 2002-06-28
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2022-06-29
Also published as: US6793478B2; EP1291153B1; EP1291153A1; US20030047846A1; DE60200993D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Negativwerkzeuge zur Vakuumformung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Negativwerkzeug zur Vakuumformung mit einer verbesserten Tiefziehfähigkeit zum Herstellen von Teilen wie beispielsweise Instrumententafelabdeckungen von Kraftfahrzeugen.
Negativwerkzeuge zur Vakuumformung nach dem Stand der Technik umfassen eine poröse Matrize mit kleinen Luftkanälen, einen Positiv-Abschnitt, Ziehstempel genannt, sowie einen Klemmrahmen. Ein thermoplastisches Flachmaterial wird in den Klemmrahmen eingespannt und bis zum Erweichungspunkt erwärmt, wo es durchzuhängen beginnt. Das Flachmaterial wird dann zwischen die Matrize und den Ziehstempel gebracht. Der Ziehstempel senkt sich ab, um Abschnitte des Flachmaterials in die unmittelbare Nähe der Matrizenoberfläche zu drücken. Anschließend wird das Flachmaterial mittels Unterdruck gegen die Matrizenoberfläche gezogen.
Um ein Vakuum zu bilden, schreiben Designstandards nach dem Stand der Technik vor, dass die Matrize umschlossen ist und dass der Negativ-Abschnitt des Werkzeugs, der Ziehstempel und der Klemmrahmen an einem Punkt nahe der Oberseite der Werkstück-Form passend miteinander abschließen. Dies ist beispielsweise in GB 2 148 850 zu sehen, wo alle Merkmale der Oberbegriffe der Ansprüche 1 und 17 enthalten sind, wobei die Matrize durch die oberen Ränder der Seitenwände des Formwerkzeugs und den Klemmrahmen umschlossen ist, der so geformt ist, dass er mit der abgesenkten Form der oberen Ränder zusammenpasst. In einem Fall, wo ein Werkstück ein tiefes V-Profil aufweist, ansonsten aber an seinen Enden offen ist, enthält das entsprechende Negativwerkzeug große Abschnitte, die man Auslaufbereiche nennt und die dazu dienen, die Matrize des Formwerkzeugs zu umschließen. Die Auslaufbereiche dienen nicht der eigentlichen Formung des Werkstücks. Während des herkömmlichen Formungsprozesses berühren Abschnitte des sich absenkenden Flachmaterials diese Auslaufbereiche und beginnen sich schneller abzukühlen als Bereiche des Flachmaterials, die noch nicht die Matrize berühren. In dem Maße, wie sich das Flachmaterial abkühlt, verliert das Thermoplastmaterial seine Dehnungseigenschaften. Dies kann dazu führen, dass die Dehnung in einem Tiefziehabschnitt neben den Auslaufbereichen behindert wird, was zu dünnwandigen Sektionen oder einem Reißen des Flachmaterials führt.
Die vorliegende Erfindung löst diese Probleme, indem sie ein Werkzeug mit verbesserten Tiefzieheigenschaften bereitstellt, indem es den Kontakt mit Bereichen des Werkzeugs verringert, die nicht der Werkstück-Formung dienen. Durch die vorliegende Erfindung ist es nicht mehr nötig, dass die Matrize vollständig um das Werkzeug herum geschlossen ist.
Vielmehr entspricht das Profil des Werkzeugs viel genauer der Form des Werkstücks, wodurch die Auslaufbereiche verkleinert werden und offene Abschnitte in der Matrize verbleiben. Offene Abschnitte im Werkzeug ermöglichen dem thermoplastischen Flachmaterial das Durchhängen an der freien Luft, ohne durch Berührung mit kühleren Auslaufbereichen abzukühlen. Wenn das Werkzeug schließlich mit dem Ziehstempel einen abdichtenden Kontakt eingeht und Unterdruck angelegt wird, kann das thermoplastische Flachmaterial effektiver in den Tiefziehabschnitt gedehnt werden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Werkzeug zur Vakuumformung bereitgestellt, das folgendes umfasst: eine Matrize mit einer konturierten oder profilierten Oberseite; ein Formnest, das innerhalb der konturierten Oberseite ausgebildet ist, wobei das Formnest eine Formnestoberfläche mit Luftkanälen aufweist, wobei die Formnestoberfläche eine Werkstückgeometrie mit Tiefziehabschnitten definiert; einen Ziehstempel, der so beschaffen ist, dass er ein thermoplastisches Flachmaterial um die Werkstückgeometrie herum in Eingriff nimmt, wobei während des Betriebes der Ziehstempel, die Matrize und das thermoplastische Flachmaterial einen abdichtenden Kontakt um die Werkstückgeometrie herum eingehen; dadurch gekennzeichnet, dass die konturierte Oberseite und der Ziehstempel bei Ineingriffnahme des Flachmaterials um die Werkstückgeometrie herum offene Abschnitte in den Seitenflächen der Matrize neben wenigstens einem der Tiefziehabschnitte definieren, um die ungehinderte Entstehung von Werkstücken innerhalb wenigstens einem der Tiefziehabschnitte zu ermöglichen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Vakuumformung thermoplastischer Teile bereitgestellt, das folgende Schritte umfasst: Bereitstellen einer Matrize mit einer konturierten Oberseite, die offene Abschnitte in den Seitenflächen der Matrize definiert, wobei ein Formnest innerhalb der konturierten Oberseite ausgebildet ist, wobei das Formnest eine Formnestoberfläche mit Luftkanälen aufweist, wobei diese Formnestoberfläche eine Werkstückgeometrie mit Tiefziehabschnitten definiert; Absenken eines erweichten thermoplastischen Flachmaterials in das Formnest; Absenken eines Ziehstempels in das Formnest nach dem Schritt des Absenkens des Flachmaterials in das Formnest, wobei der Ziehstempel Abschnitte des Flachmaterials in Richtung der Formnestoberfläche dehnt; Abziehen von Luft aus der Matrize durch die Luftkanäle, wobei an der Formnestoberfläche ein Unterdruck erzeugt wird; dadurch gekennzeichnet, dass die konturierte Oberseite mit offenen Abschnitten in den Seitenflächen der Matrize verbunden ist, um die ungehinderte Entstehung von Werkstücken innerhalb der Tiefziehabschnitte zu ermöglichen, und dass das Flachmaterial nicht mit der Matrize an den offenen Abschnitten der Matrize in Berührung kommt.
Die Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Negativwerkzeugs zur Vakuumformung nach dem Stand der Technik.
2 ist eine perspektivische Ansicht des Negativwerkzeugs zur Vakuumformung der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine perspektivische Ansicht des Negativwerkzeugs zur Vakuumformung der vorliegenden Erfindung im Betrieb.
4 ist eine Vorderansicht des Negativwerkzeugs zur Vakuumformmung von 3.
1 zeigt eine typische Matrize 4 zur Vakuumformung nach dem Stand der Technik zur Vakuumformung eines thermoplastischen Materials. Die Matrize 4 hat allgemein eine Kastenform mit einer Unterseite 8, vier Seiten 10 und einer Oberseite 12, wobei die Oberseite 12 im Wesentlichen planar ist. Die Matrize definiert ein Formnest 14, wobei die dreidimensionale Kontur eines Werkstücks, die als Werkstückgeometrie 18 bezeichnet wird, in das Formnest 14 hinein ausgebildet wird. Bereiche des Formnestes 14, die keine Werkstückgeometrie 18 enthalten, nennt man Auslaufbereiche 22. Die Auslaufbereiche 22 befinden sich in der Regel zwischen der Werkstückgeometrie 18 und der Oberseite 12. Wenn ein erwärmtes thermoplastisches Flachmaterial 24 (beispielsweise in 2 zu sehen) in das Formnest 14 eintritt, so berührt der Durchhang 28 des Flachmaterials 24 die Auslaufbereiche 22 und beginnt sich abzukühlen, wodurch die Dehnung des Flachmaterials 24 in die Tiefziehbereiche hinein behindert wird.
2 und 4 zeigen ein Negativwerkzeug 30 zur Vakuumformung unter Anwendung der vorliegenden Erfindung. Das Negativwerkzeug 30 zur Vakuumformung umfasst eine Matrize 32, einen Ziehstempel 36 und eine Klemme 40. Die Matrize 32 hat allgemein eine Kastenform mit einer Unterseite 44, einer Vorderseite 46, einer Rückseite 47, einer linken Seite 48, einer rechten Seite 49 und einer konturierten Oberseite 52. Innerhalb der konturierten Oberseite 52 definiert die Matrize 32 außerdem ein Formnest 56 mit einer Formnestoberfläche 58.
Die Werkstückgeometrie 60 wird in die Formnestoberfläche 58 hinein ausgebildet. Die Formnestoberfläche 58 definiert außerdem mehrere (nicht gezeigte) kleine Luftkanäle, die dazu dienen, Luft aus dem Formnest 56 abzuziehen und nahe der Formnestoberfläche 58 ein Vakuum zu erzeugen.
In der bevorzugten Ausführungsform besteht die Formnestoberfläche 58 aus porösem Material wie beispielsweise Nickel oder Aluminium.
Die Werkstückgeometrie 60 schreibt die Tiefe und die Gestalt des Formnestes 56 vor. Die Tiefziehabschnitte 62 in der Matrize 32 können bewirken, dass das geformte Teil an diesen Stellen eine Dehnung des Thermoplastmaterials über eine große Entfernung erfordert, was zu dünnen Wänden oder zum Reißen des Flachmaterials 24 führt. Die Tiefziehabschnitte 62 sind Abschnitte, die allgemein eine Tiefe von mehr als der Hälfte der größeren Breite des Formnestes 56 aufweisen. Die Tiefe wird von der Klemme 40 aus gemessen, wenn die Klemme 40 im Betrieb vollständig abgesenkt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in 2 zu sehen ist, definiert die Werkstückgeometrie 60 offene Enden 60a, 60b und einen mittigen V-förmigen Abschnitt 60c. In dieser Ausführungsform schafft die Werkstückgeometrie 60 die Tiefziehabschnitte 62 in der Matrize 32.
Die konturierte Oberseite 52 ist relativ zur Werkstückgeometrie 60 konturiert, worin offene Abschnitte 64 in der Nähe der Tiefziehabschnitte 62 in der Matrize 32 definiert werden. Die offenen Abschnitte ermöglichen es, dass das Flachmaterial 24 während des Betriebes frei hängt, anstatt im Kontakt mit der Formnestoberfläche 58 abzukühlen. Die offenen Abschnitte 64 weisen vorzugsweise eine Tiefe von wenigstens einem Drittel der Tiefe des benachbarten Tiefziehabschnitts 62 auf. In der bevorzugten Ausführungsform befinden sich die offenen Abschnitte 64 an den Seiten 48, 49 und an der Vorderseite 46 der Matrize 32.
Der Ziehstempel 36 ist so beschaffen, dass er in das Formnest 56 passt. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Werkstückgeometrie 68 dergestalt in die Unterseite 38 des Stempels hineingeformt, dass sie mit der Werkstückgeometrie 60 der Matrize 32 im wesentlichen zusammenpasst.
Die Klemme 40 ist so beschaffen, dass sie das thermoplastische Flachmaterial 24 während des Formungsprozesses hält. Die Klemme 40 ist vorzugsweise als ein Rahmen konfiguriert, der in einer im Wesentlichen horizontalen Ebene angeordnet ist und allgemein eine rechteckige Form aufweist.
Im Betrieb wird ein thermoplastisches Flachmaterial 24 in die Klemme 40 eingespannt. Das Flachmaterial 24 wird dann durch eine (nicht gezeigte) Wärmestrahlungsquelle wie beispielsweise ein Heizgehäuse bis zum optimalen Erweichungspunkt erwärmt. In dem Maße, wie das Flachmaterial 24 zum optimalen Erweichungspunkt erwärmt wird, beginnt das Thermoplast einen Durchhang 28 zu bilden. Die Klemme 40 und das Flachmaterial 24 werden dann über die Matrize 32 indexiert, und das Flachmaterial 24 wird in die Matrize 32 abgesenkt. Der Ziehstempel 36 wird dann durch die Klemme 40 hindurch in das Formnest 56 abgesenkt. Der Ziehstempel 36 berührt mittige Abschnitte des Flachmaterials 24 und dehnt so das Flachmaterial 24 in die unmittelbare Nähe der Werkstückgeometrie 60. Der Ziehstempel 36 ist außerdem so beschaffen, dass er das Flachmaterial 24 entlang des Umfangs der Werkstückgeometrie 60 in Eingriff nimmt, wobei der Ziehstempel 36 das Flachmaterial 24 so gegen die Matrize 32 drückt, dass eine hermetische Abdichtung um die Werkstückgeometrie 60 herum entsteht. In der Matrize 32 wird dergestalt ein Vakuum erzeugt, dass an der Formnestoberfläche 58 ein Unterdruck entsteht und das Flachmaterial 24 nach innen zur Formnestoberfläche 58 hin gezogen wird. Das Flachmaterial 24 wird dann abgekühlt und aus der Matrize 32 herausgenommen.
Während des Betriebes, wie in 3 und 4 zu sehen, hängt der Durchhang 28 des Flachmaterials 24 frei in den offenen Abschnitten 64 in der Nähe der Tiefziehabschnitte 62. Infolge dessen berührt das Flachmaterial 24 in jenen Bereichen nicht die Matrize 32 und kühlt nicht an der Formnestoberfläche 58 ab. Vielmehr gestatten die offenen Abschnitte 64 die freie und ungehinderte Entstehung von Werkstücken, weil das Flachmaterial 24 seine Wärme und seine optimalen Dehnungseigenschaften behält, bis das Flachmaterial gegen die Formnestoberfläche 58 gezogen wird.

Claims

Werkzeug zur Vakuumformung, umfassend: eine Matrize (32) mit einer konturierten oder profilierten Oberseite (52); ein Formnest (56), das innerhalb der konturierten Oberseite ausgebildet ist, wobei das Formnest eine Formnestoberfläche (58) mit Luftkanälen aufweist, wobei die Formnestoberfläche eine Werkstückgeometrie (60) mit Tiefziehabschnitten (62) definiert; einen Ziehstempel (36), der so beschaffen ist, dass er ein thermoplastisches Flachmaterial (24) um die Werkstückgeometrie herum in Eingriff nimmt, wobei während des Betriebes der Ziehstempel (36), die Matrize (32) und das thermoplastische Flachmaterial (24) einen abdichtenden Kontakt um die Werkstückgeometrie (60) herum eingehen; dadurch gekennzeichnet, dass die konturierte oder profilierte Oberseite (52) und der Ziehstempel (36) bei Ineingriffnahme des Flachmaterials um die Werkstückgeometrie herum offene Abschnitte (64) in den Seitenflächen (46, 47, 48, 49) der Matrize (32) neben wenigstens einem der Tiefziehabschnitte (62) definieren, um die ungehinderte Entstehung von Werkstücken innerhalb wenigstens einem der Tiefziehabschnitte zu ermöglichen.
Werkzeug zur Vakuumformung nach Anspruch 1, wobei die offenen Abschnitte (64) eine Tiefe von wenigstens einem Drittel der Tiefe des benachbarten wenigstens einen Tiefziehabschnitts (62) definieren.
Werkzeug zur Vakuumformung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Formnestoberfläche (58) aus einem porösen Material besteht.
Werkzeug zur Vakuumformung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Tiefziehabschnitte (62) eine Tiefe von mehr als der Hälfte der größeren Breite des Formnestes (56) aufweisen.
Werkzeug zur Vakuumformung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Ziehstempel (36) eine Unterseite (38) enthält, die so beschaffen ist, dass sie mit der Werkstückgeometrie (60) der Matrize (32) im Wesentlichen zusammenpasst.
Werkzeug zur Vakuumformung nach einem der vorangehenden Ansprüche, das des Weiteren eine Klemme (40) zum Halten des thermoplastischen Flachmaterials (24) umfasst.
Werkzeug zur Vakuumformung nach Anspruch 6, wobei die Klemme (40) in einer im Wesentlichen horizontalen Ebene angeordnet ist.
Verfahren zur Vakuumformung thermoplastischer Teile, das folgende Schritte umfasst: Bereitstellen einer Matrize (32) mit einer konturierten oder profilierten Oberseite (52), die offene Abschnitte (64) in den Seitenflächen der Matrize definiert, wobei ein Formnest (56) innerhalb der konturierten Oberseite ausgebildet ist, wobei das Formnest eine Formnestoberfläche mit Luftkanälen aufweist, wobei diese Formnestoberfläche eine Werkstückgeometrie (60) mit Tiefziehabschnitten (62) definiert; Absenken eines erweichten thermoplastischen Flachmaterials (24) in das Formnest (56); Absenken eines Ziehstempels (36) in das Formnest nach dem Schritt des Absenkens des Flachmaterials in das Formnest, wobei der Ziehstempel Abschnitte des Flachmaterials in Richtung der Formnestoberfläche dehnt (58); Abziehen von Luft aus der Matrize (32) durch die Luftkanäle, wobei an der Formnestoberfläche ein Unterdruck erzeugt wird; dadurch gekennzeichnet, dass die konturierte Oberseite (52) mit offenen Abschnitten (64) in den Seitenflächen der Matrize verbunden ist, um die ungehinderte Entstehung von Werkstücken innerhalb der Tiefziehabschnitte zu ermöglichen, und dass das Flachmaterial (24) nicht mit der Matrize an den offenen Abschnitten der Matrize in Berührung kommt.
Verfahren zur Vakuumformung nach Anspruch 8, wobei auf der Oberfläche des Ziehstempels (36) eine Werkstückgeometrie ausgebildet ist und wobei der Ziehstempel vertikal über der Matrize (32) angeordnet ist und so konfiguriert ist, dass er in das Formnest passt.
Verfahren zur Vakuumformung nach Anspruch 9, wobei der Ziehstempel (36) das thermoplastische Flachmaterial (24) so gegen die Matrize (32) dehnt, dass ein abdichtender Kontakt um die Werkstückgeometrie herum entsteht.
Verfahren zur Vakuumformung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, des Weiteren umfassend den Schritt des Erwärmens des thermoplastischen Flachmaterials (24) auf einen Erweichungspunkt, bevor das Flachmaterial in das Formnest (56) abgesenkt wird, so dass in dem Flachmaterial ein Durchhang entsteht.
Verfahren zur Vakuumformung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, des Weiteren umfassend folgende Schritte: Bereitstellen einer Klemme (40), die zum Halten des thermoplastischen Flachmaterials (24) beschaffen ist, und Einsetzen des thermoplastischen Flachmaterials in die Klemme, bevor das Flachmaterial in das Formnest abgesenkt wird.