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Vorrichtung zum Verformen einer Folie aus thermoplastischem Kunststoff
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verformen einer Folie aus thermoplastischem
Kunststoff, bei welcher die längs ihres Umfangsrandes fest eingespannte Folie erwärmt
und anschließend teils pneumatisch und dann mechanisch von einer Folienseite her
durch Ausbuchten verformt wird, mit einer eine Öffnung aufweisenden Wand und einer
mindestens einen Vorsprung aufweisenden Patrize, die gegen die Wand und durch die
Öffnung derselben vorschiebbar ist, mit Mitteln zum dichten Festhalten des Randes
der zu verformenden Folie am Umfang der Wandöffnung, einem mit der Wand verbundenen
Druckkasten und einem die Patrize tragenden und im Druckkasten verschiebbaren Kolben.
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Abgesehen von bekannten Vorrichtungen zum rein mechanischen Verformen
einer Folie mittels einer Patrize, ist es auch schon bekannt, eine Folie zwischen
einer eine Öffnung aufweisenden Wand und einer mindestens einen Vorsprung aufweisenden
Patrize anzuordnen und zuerst auf die der Patrize zugewendeten Seite der Folie einen
Überdruck zur Wirkung zu bringen, durch welchen die Folie von der Patrize weggewölbt
wird. Hierauf wird die Patrize derart gegen die die Öffnung aufweisende Wand bewegt,
daß ihr Vorsprung hinter der Folie in diese Öffnung eindringt, und schließlich wird
der auf die Folie wirkende Überdruck aufgehoben, indem auf beiden Seiten der Folie
wieder Atmosphärendruck hergestellt wird; die Folie soll dann infolge ihrer Elastizität
auf die Patrize schrumpfen und die Gestalt von deren Oberfläche annehmen.
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Diese Arbeitsweise eignet sich jedoch nicht für die Herstellung von
Gegenständen aus verformten Folien in großen Stückzahlen, da es nicht möglich ist,
den auf die Folie wirkenden Überdruck und das Maß des Wegwölbens der Folie von der
Patrize von vornherein genau zu beherrschen. Wenn die zum Wegwölben der Folie von
der Patrize dienende Druckluft einer Druckluftleitung entnommen wird, so erfährt
sie, unmittelbar bevor sie mit der Folie in Berührung kommt, eine Entspannung und
Abkühlung, die dann in unerwünschter Weise die Abkühlung der erwärmten Folie fördert.
Das gleiche tritt auf der entgegengesetzten Seite der Folie ein, wenn dort ein Unterdruck
zur Wirkung gebracht, also die mit der Folie in Berührung stehende Luft entspannt
wird. Überdies ist bei den bekannten Verfahren vorausgesetzt, daß die Folie bei
einer bestimmten Temperatur sowohl genügend elastisch ist, um mit genügendem Druck
auf die Patrize zu schrumpfen, als auch genügend plastisch, damit sich ihr Feinheiten
der Oberflächenstruktur der Patrize
aufprägen, und daß sich diese Temperatur genügend
genau einhalten läßt.
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Bei einer bekannten Vorrichtung zur Durchführung des erwähnten Arbeitsverfahrens
weist der Kolben nur einen kleinen Wirkungsquerschnitt auf, da er keine andere Aufgabe
hat als die im Druckraum angeordnete Patrize zu tragen und von außen zu verschieben.
Bei jeder Verschiebung dieser Patrize gegen die eine Öffnung aufweisende Wand verdrängt
nun einerseits dieser Kolben im Druckraum ein kleines Volumen Druckmedium, während
gleichzeitig der in die Öffnung der Matrize eingedrungene Teil des Vorsprungs der
Patrize ein wesentlich größeres Volumen als der Kolben verdrängt und dabei im vor
dieser Öffnung gelegenen Teil des Druckraumes ein gleich großes Volumen freigibt.
Dieses freigegebene Volumen wird von der Verdrängungswirkung des Kolbens nicht wettgemacht,
so daß Druckmedium durch die Öffnung in den vor dieser Öffnung befindlichen Teil
des Druckraumes strömt.
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Mit dieser bekannten Vorrichtung könnte somit zwar durch Gegeneinanderbewegen
von Patrize und Wand ein gewisser auf die Folie wirkender Überdruck erzeugt und
somit eine Auswölbung der Folie in die Wandöffnung bewirkt werden. Durch diese Auswölbung
der Folie würde jedoch der hinter der Öffnung liegende Teil des Druckraumes nicht
um soviel vergrößert, wie er durch die Bewegung des in die Öffnung eingedrungenen
Teiles des Vorsprunges der Patrize verkleinert wird; die Folie würde daher gegen
diesen
vorspringenden Teil gezogen, statt, wie angestrebt, von ihm weggewölbt. Bei dieser
bekannten Vorrichtung wird darum die Folie mit Hilfe eines nicht durch die Verschiebung
der Patrize gegen die Wand erzeugten Überdruckes in genügendem Maße gewölbt, bevor
die eine Öffnung aufweisende Wand und die Patrize gegeneinander bewegt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile und Schwierigkeiten
der bekannten Verfahren und Vorrichtungen zu überwinden. Die Erfindung geht zu diesem
Zweck vom Vorwölben der Folie mittels Fremddruck bei stillstehender Patrize ab und
benutzt das pneumatische Wölben nur soweit, als es den unmittelbaren Kontakt von
Folie und Patrize möglichst lange hinausschiebt und dabei den Materialfluß um die
Patrizenkante möglichst unbehindert läßt. Die Verformungsvorrichtung der Erfindung
soll sich dabei auch für die teilweise oder völlig automatische Fertigung von Gegenständen
durch plastisches Verformen von Folienstücken eignen und ohne Zeitverluste gleichförmige
Ergebnisse erzielen lassen.
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Das Hauptmerkmal der Erfindung ist für die eingangs genannte Vorrichtung
dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche des Kolbens dichtend an der Innenwand
des Druckkastens anliegt, daß die wirksame Fläche des Kolbens größer ist als die
Öffnung in der Wand und daß die Umrißform des umlaufenden Randvorsprungs der Patrize
der Form der Wandöffnung angepaßt ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung hat somit der Kolben einen
ausreichenden Wirkungsquerschnitt, um mindestens über einen Teil des Verschiebungsbereiches
der Patrize bei jeder ihrer Verschiebung gegen die eine Öffnung aufweisende Wand
im Druckraum ein größeres Volumen zu verdrängen als der in die Öffnung der Wand
eingedrungene Teil der Patrize bei dieser Verschiebung im hinter der Öffnung liegenden
Teil des Druckraumes verdrängt.
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Die Menge Druckmedium, die durch den Kolben gegen die eine Seite der
Folie verdrängt wird, ist genau bestimmt, so daß sich das Maß des Wegwëlbens der
Folie von der Patrize und der auf die Folie wirkende Überdruck im voraus festlegen
läßt. Da die Bewegung der Patrize gegen die eine Öffnung aufweisende Wand gleichzeitig
mit dem Erzeugen des Oberdruckes erfolgt, wird nicht nur der Zeitaufwand für die
Verformung der Folie vermindert, sondern auch der Zeitpunkt festgelegt, in welchem
das Wegwölben der Folie von der Patrize beendet ist; Temperatur und Plastizität
der Folie im Augenblick, in dem diese ihre endgültige Form erhält, sind damit ebenfalls
vorausbestimmt.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin,
daß bei Verwendung von Luft als Druckmedium zum Wegwölben der Folie von der Patrize
diese Luft verdichtet und dadurch auf eine etwas höhere Temperatur als die der Umgebungsluft
gebracht werden kann, unmittelbar bevor sie mit der Folie in Berührung kommt, so
daß sie dann die unerwünschte Abkühlung der Folie hin anhält.
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Zweckmäßig wird das Anlegen der Folie an die Oberfläche der Patrize
nicht der Elastizität der Folie überlassen. sondern es wird in an sich bekannter
Weise nach Beendigung der Verschiebung des Kolbens in einem einerseits von der Folie,
andererseits von der Oberfläche der Patrize begrenzten Absaugraum ein Unterdruck
erzeugt. so daß die Folie
gegen die Oberfläche der Patrize gesogen wird. Hierdurch
wird die endgültige Formung der Folie bei einer Temperatur derselben bewirkt, bei
der sie gute Plastizität besitzt und sich ihr alle Einzelheiten der Gestalt dieser
Oberfläche einprägen.
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Der erwähnte Überdruck kann so niedrig bemessen werden, daß die Folie
noch teilweise mit dem vorspringenden Teil der Patrize in Berührung kommt, wobei
lediglich ein Gleiten der Folie über die Oberfläche der Patrize und damit eine günstige
Verteilung des Folienmaterials über diese Oberfläche ermöglicht wird. Es hängt indessen
von der Gestalt des durch Verformen der Folie herzustellenden Stückes ab, ob ein
stärkeres oder weniger starkes Wegwölben der Folie von der Patrize und somit ein
größerer oder geringerer Überdruck die vorteilhafteste Materialverteilung ergibt.
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Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird an
Hand schematischer Zeichnungen erläutert. Es zeigt Fig. 1 einen Schnitt durch die
Einrichtung nach dem Einspannen einer zu einer Wanne zu verformenden Folie, F i
g. 2 einen entsprechenden Schnitt während des Vorschiebens der Patrize, F i g. 3
einen entsprechenden Schnitt nach beendetem Vorschieben der Patrize und F i g. 4
einen entsprechenden Schnitt nach beendetem Verformen der Folie.
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Das Gehäuse der in der Zeichnung dargestellten Einrichtung besitzt
eine rahmenartige waagerechte Wand 1, die eine Öffnung 2 aufweist und als Auflage
für eine zu verformende Folie 3 aus thermoplastischem Kunststoff dient. Zum Festhalten
dieser Folie auf der Wand 1 ist ein Rahmen 4 mittels Scharnieren 5 am Gehäuse aufklappbar
gelagert. Schrauben 6 mit Flügelmuttern 7 erlauben, den Rahmen 4 gegen die Wand
1 zu ziehen. um die Folie 3 längs des Umfanges der Öffnung 2 dicht an die Wand 1
anzupressen. Das Gehäuse der Einrichtung weist ferner vier senkrechte Wände 8 auf.
die zusammen einen oben durch die Wand 1 begrenzten Schacht von rechteckigem Querschnitt
umgeben. In diesem Schacht ist eine rechteckige Tragplatte 9 für eine Verformungspatrize
10 angeordnet. Die Ränder dieser Tragplatte 9 schließen annähernd luftdicht an die
Wände 8 an, so daß die Tragplatte zusammen mit der von ihr getragenen Patrize 10
im genannten Schacht einen Arbeitsraum 11 begrenzt. Die Tragplatte 9 sitzt auf einer
mittels einer nicht dargestellten Vorrichtung, z. B. eines in einem Druckzylinder
pneumatisch verschiebbaren Kolbens. senkrecht verschiebbaren Säule 12, die einen
in der Oberseite der Platte 9 ausmündenden Längskanal 13 aufweist. Dieser Kanal
13 ist unten (nicht dargestellt) über Leitungen und Ventile an einen Unterdruckbehälter
an eine Evakuationspumpe und an einen Druckluftbehälter angeschlossen, so daß er
wahlweise mit jedem dieser Behälter und mit der Saugseite der Evakuationspumpe verbunden
werden kann.
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Die Patrize 10 hat oben einen vorspringenden Teil 14 dessen Form
derjenigen der Hohlseite eines wannenförmigen Gebildes entspricht, zu dem die Folie
3 verformt werden soll. Rings um diesen vorspringenden Teil läuft eine ebene Sitzfläche
15. In der Unterseite der Patrize 10 ist eine Höhlung 16 gebildet. die mit dem Kanal
13 in Verbindung steht.
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Von dieser Höhlung 16 führen zahlreiche kleine
Kanälchen
17 nach dem von der Sitzfläche 15 umschlossenen Teil der Oberfläche der Patrize.
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In einer der Wände 8 ist unterhalb der waagerechten Wand 1 eine Öffnung
18 vorhanden, deren Querschnitt mittels eines in Führungen 19 verschiebbaren Schiebers
20 verstellbar ist.
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Oberhalb des Rahmens 4 ist in F i g. 1 schematisch eine mit Heizwiderständen
versehene Heizplatte 21 eingereicht, die auf waagerechten Schienen 22 läuft.
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Zum Verformen eines Folienstückes 3 zu einem wannenförmigen Gebilde,
dessen Form durch die der Patrize 10 gegeben ist, geht man wie folgt vor: Zuerst
legt man das zu verformende Folienstück 3 bei hochgeklapptem Rahmen 4 derart auf
die Wand 1, daß es sich quer über deren Öffnung 2 erstreckt, klappt den Rahmen 4
auf das Folienstück 3 nieder und befestigt dieses luftdicht längs des Umfanges der
Öffnung 2 an der Wand 1, indem man den Rahmen 4 mittels der Flügelmuttern 7 auf
den Schrauben 6 nach unten preßt (Fig. 1). Dann fährt man die Heizplatte 21 auf
den Schienen 22 über den sich über die Öffnung 2 erstreckenden Teil der Folie 3
und bewirkt mittels dieser Heizplatte die Erwärmung der Folie auf eine Temperatur,
die höher ist als die Erweichungstemperatur des thermoplastischen Kunststoffes,
aus dem die Folie besteht. Dann wird der Heizstrom der Heizplatte 21 ausgeschaltet
und diese Platte wieder zur Seite geschoben.
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Hierauf verschiebt man die Tragplatte 9 mit der Patrize 10 mittels
der erwähnten (nicht dargestellten) Vorrichtung nach oben; die unten vom Kanal 13
ausgehende Leitung bleibt abgesperrt. Die Platte 9 und die Patrize 10 bilden dann
zusammen einen Verdrängungskörper, der in den Arbeitsraum 11 eindringt und Luft
aus diesem durch die Öffnung 18 verdrängt. Der Querschnitt der letzteren wird mittels
des Schiebers 20 so eingestellt, daß der Luftdruck im Arbeitsraum 11 bei der gegebenen
Verschiebungsgeschwindigkeit der Platte 9 in gewünschtem Maße über den Druck der
Außenluft steigt. Durch diesen Überdruck im Arbeitsraum 11 wird die plastisch gewordene
Folie 3, wie dies F i g. 2 zeigt, über der Öffnung 2 der Wand 1 durch die Öffnung
des Rahmens 4 hindurch nach oben ausgewölbt. Wenn der vorspringende Teil 14 der
Patrize durch die Öffnung 2 hindurchtritt, trifft er somit erst später auf die Folie
3 als wenn diese, wie in F i g. 1 gezeigt, im Bereich der Öffnung 2 eben wäre. Außerdem
berührt er dann die Folie 3 nicht mit seiner ganzen ebenen Stirnfläche 14 a, sondern
nur mit seinen gerundeten Kanten 14 b; der von der Spannung der Folie herrührende
Berührungsdruck zwischen der Folie 3 und der Patrize 10 an diesen Kanten 14 b ist
überdies infolge der Wirkung des im Arbeitsraum 11 erzeugten Überdruckes wesentlich
geringer als wenn dieser Überdruck nicht vorhanden wäre. Die Folie 3 kann somit
über die Kanten 14 b gleiten und behält in ihrem vor der Stirnfläche 14 a befindlichen
Teil 3 a (F i g. 3) annähernd die gleiche Dicke wie in ihrem seitlich des vorspringenden
Patrizenteils 14 befindlichen Teil 3 b.
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Die Aufwärtsbewegung der Platte 9 wird fortgesetzt, bis die Sitzfläche
15 der Patrize 10 in der Öffnung 2 auf die Folie 3 trifft und sich luftdicht an
diese anlegt (F i g. 3). Dadurch wird ein als Absaugraum zu bezeichnender Raum 23
längs der in Umfangsrichtung geschlossenen Sitzfläche 15 vom Arbeitsraum 11 abgetrennt.
Die Platte 9 mit der Patrize 10 kommt dann zum Stillstand. Der Druck
im Absaugraum
23 bleibt zunächst erhalten, während derjenige im Rest des Arbeitsraumes 11 durch
weiteres Abströmen von Luft durch die Öffnung 18 auf den Druck der Außenluft sinkt.
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Unmittelbar nach diesem Augenblick wird der Kanall3 und somit die
Höhlung 16 durch Öffnen eines Ventils mit dem obenerwähnten Unterdruckbehälter verbunden.
Der Druck in der Höhlung 16 sinkt dann plötzlich bis unter den Druck der Außenluft.
Diese Drucksenkung teilt sich durch die vielen Kanälchen 17 auch dem Absaugraum
23 mit. Die auf die von der Patrize 10 abgewandte Seite der immer noch plastischen,
über der Öffnung 2 nach oben gewölbten Folie 3 wirkende Außenluft drückt dann die
Folie gegen die Oberfläche der Patrize 10, so daß die Folie die Form dieser Oberfläche
annimmt (Fig. 4).
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Sobald der Druck im Absaugraum 23 gleich demjenigen im genannten
Unterdruckbehälter geworden ist, sperrt man diesen zweckmäßig vom Kanal 13 ab und
verbindet diesen mit der Saugseite der Evakuationspumpe. Dadurch läßt sich der Luftdruck
im Absaugraum 23 zwischen Folie und Patrizenoberfläche noch wesentlich senken, da
dieser Absaugraum durch das Anliegen der Folie an der Patrize sehr klein geworden
ist. Die Folie wird dadurch von der Außenluft noch stärker gegen die Patrize gedrückt,
was erlaubt, der Folie alle Feinheiten der Form der Patrizenoberfläche mitzuteilen.
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Hierauf läßt man die Folie bis zum Erstarren abkühlen, sperrt den
Kanal 13 von der Evakuationspumpe ab und verbindet ihn schließlich vorübergehend
mit dem Druckbehälter. Dadurch wird der in letzterem herrschende Luftdruck durch
die Höhlung 16 und die Kanälchen 17 auf die Unterseite der verformten Folie zur
Wirkung gebracht, so daß diese von der Patrizenoberfläche weggedrückt wird.
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Während die Platte 9 mit der Patrize 10 in ihre Ausgangsstellung gesenkt
wird, wird das durch die Verformung der Folie aus dieser entstandene wannenförmige
Gebilde nach Lösen der Flügelmuttern 7 und Hochklappen des Rahmens 4 weggenommen.
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Gegenüber bekannten Einrichtungen hat die hier beschriebene nicht
nur den Vorteil, daß sich die Verteilung des Materials über die Patrizenfläche beeinflussen
läßt, sondern auch den, daß die Außenluft durch die Seitenwände 8 des erwähnten
Schachtes daran verhindert ist, an die Unterseite der Folie zu gelangen, wodurch
eine unerwünschte Kühlung der Folie vermieden wird.