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Die
Erfindung betrifft eine Thermoformmaschine und ein Verfahren zum
Herstellen von Tiefziehprodukten aus erwärmten thermoplastischen Halbzeugen.
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Stand der Technik
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Das
Dokument
US 3,799,727
A offenbart eine Vorrichtung für die thermische
Verformung von Stoffen, die eine horizontal verschiebbare doppelseitige
Heizung aufweist, die mit Heizstäben ausgerüstet
ist, die in der Mitte der Heizung in weiteren Abständen
angebracht sind, an den Rändern der Heizung dagegen in
engeren Abständen. Die beiden Heizstabgruppen werden jeweils
so über getrennte Regler in ihrer Strahlungstemperatur
beeinflusst, dass eine homogene Wärmeübertragung
erfolgt.
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Bei
der Heizung gemäß
DE 22 16 651 B2 wird eine Leistungsregelung
vorgeschlagen, bei der die Beheizung dadurch gleichförmig
ausgebildet wird, dass wärmeabstrahlende Heizelemente gitterförmig
angeordnet sind und in bestimmten Heizelementen Thermoelemente eingebracht
sind, die mit einem Regler zusammen arbeiten. Die Wärme,
die zu den Rändern der Heizung verloren geht, wird durch
eine separate Regelung der außen liegenden Elemente kompensiert.
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Die
Schrift
DE 25 48 382
A1 zeigt eine Vorrichtung zum Vorwärmen einer
Kunststofffolienbahn, bei der Platten, die mit Rohrheizkörpern
versehen sind, zueinander einen Abstand aufweisen, der geringfügig
größer ist als die Dicke der zu erwärmenden Kunststofffolienbahn.
Die Folienbahn wird durch die Vorrichtung mittels endloser Bänder
geführt.
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Bei
der Vorrichtung zum Warmverformen von Thermoplasten gemäß
DE 297 24 025 U1 wird
eine Strahlungsquelle eingesetzt, deren Emissionswellenlängenbereich
im Bereich von 0,008–0,01 m liegt, damit ein definiertes
Temperaturprofil entlang der Oberfläche der zu erwärmenden
Teile eingestellt werden kann. Durch Regelung der Temperatur wird
die Wellenlänge des Intensitätsmaximums eingestellt
und so eine optimale Durchwärmung des Kunststoffs erreicht.
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Die
Vorrichtung und das Verfahren gemäß
DE 2254706 A weist eine Erwärmungsstation
mit einer Hängebahn für thermoplastisch verformbare Kunststoffplatten
auf, die die Platten durch die Station transportiert, während
ein aufgeheiztes Fluid durch die Zwischenräume zwischen
den Platten hindurchbewegt wird.
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Die
Steuerung der Heizung in Thermoformmaschinen gemäß
DE 21620129 A steuert
die Temperatur von Oberflächen von zu formenden Kunststoffhalbzeugen
dergestalt, dass mittels Infrarotstrahlungsthermometer das Erreichen
einer vorgegebenen Temperatur ermittelt wird und Folgeprozesse ausgelöst
werden.
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Im
Stand der Technik finden sich noch weitere Ausführungen
von Heizeinrichtungen um thermoplastische Halbzeuge für
die Verformung zu erwärmen. Dazu zählen insbesondere
Verfahren, die im direkten Kontakt mittels Heizplatten die Wärmeübertragung
realisieren, sowie verschiedene Verfahren im Infrarotbereich, die
Wärmeübertragungsmittel wie Gasflammen oder Thermoöl
einsetzen.
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Der
prinzipielle Nachteil all dieser Verfahren ist darin zu sehen, dass
die übertragene Wärme stets in die äußeren
Schichten eingeleitet wird und dann durch Wärmeleitung
in die mittleren Schichten weiter geführt wird. Das führt
zu einem Temperaturprofil, bei dem stets die Temperatur der mittleren
Schichten hinter denen der äußeren Schichten zurückbleibt.
Um eine befriedigende Verformung zu erreichen, muss deshalb mehr
Energie in das Halbzeug eingetragen werden, als es die Temperaturen
erfordern, die sich in den äußeren Schichten einstellen.
Diese werden also überheizt, um die mittleren Schichten
auf das erforderliche Temperaturniveau zu heben. Dies hat eine verlängerte
Heizzeit zur Folge, eventuell sogar eine Verfärbung oder
Verbrennung der äußeren Schichten. Ebenso kommt
es in der Folge zum sogenannten Durchhängen der erwärmten
Folie, die die Verarbeitung erschwert. Aufgrund der Überwärmung der äußeren
Schichten sinkt die übertragbare Leistung mit steigender
Heizzeit, weil der Temperaturgradient zwischen Heizquelle und Halbzeug
sinkt. Die Effizienz von Infrarotstrahlungssystemen liegt typischerweise
bei 25–35%, so dass eine enorme Aufheizung der Thermoformmaschine
und der Produktionsräume die Folge ist. Da in Abhängigkeit
vom Halbzeug, beispielsweise beim Polypropylen, die Aufheizung nur
langsam, also bei geringerem Temperaturgradienten zwischen Quelle
und Halbzeug erfolgen kann, ist die Heizzone entsprechend lang ausgebildet,
was sich direkt auf die Abmaße der Thermoformmaschine niederschlägt.
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Aufgabenstellung
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, die geschilderten
Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und die
Beheizung von thermoplastischen Halbzeugen zu verbessern.
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Gelöst
ist diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die im
Kennzeichen des Anspruches 1 sowie im nebengeordneten Anspruch 6
angegebenen Maßnahmen.
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Weitere
bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen,
in den jeweiligen Unteransprüchen genannten Merkmalen.
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Ausführungsbeispiel
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Vorgeschlagen
wird der Einsatz einer Heizung, die mit Einrichtungen zur Erzeugung
von Mikrowellen bestückt ist.
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Der
Vorteil von Mikrowellen als Mittel zur Erwärmung von thermoplastischen
Halbzeugen aus Kunststoff ist darin zu sehen, dass die Mikrowelle
das Halbzeug gleichzeitig über die ganze Dicke erwärmt. Man
spricht von volumetrischer Erwärmung, die keine innere
Wärmeleitung zur Vergleichmäßigung von einseitig
eingebrachter Energie benötigt.
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Mikrowellen
sind elektromagnetische Wellen im Wellenlängenbereich zwischen
einem Meter und einem Millimeter, was einem Frequenzbereich von 0,3
bis 300 GHz entspricht.
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Stand
der Technik ist, dass die Mikrowelle, die durch das Anregen von
Dipol- und Multipolschwingungen im Material Wärme erzeugt,
für die Erwärmung von „klassischen" thermoplastischen
Halbzeugen zur Herstellung von Massenteilen wie z. B. Polystyrol
und Polypropylen ungeeignet ist.
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Die
Anmeldung überwindet dieses Vorurteil der Technik und schlägt
deshalb die Verwendung von Mikrowellen zur Erwärmung von
thermoplastischen Halbzeugen aus Kunststoffen vor, die typischerweise für
die Herstellung von Thermoformartikeln verwendet werden, wie z.
B. Polystyrol, Polypropylen, Polyethylenterephtalat, Polyvinylchlorid,
Acrylnitril-Butadien-Styrol.
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Die
Energieaufnahme eines Thermoplasten ist proportional zu seiner Absorptionsfähigkeit,
die durch die Zugabe von geeigneten Additiven verstärkt werden
kann. E benso kann die Absorptionsfähigkeit durch die Steigerung
der Feldstärke sowie der Eingangstemperatur des Halbzeuges
erhöht werden.
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Der
Wirkungsgrad von Mikrowellenheizungen liegt bei 60–80%,
so dass die installierte Leistung gegenüber der konventionellen
Infrarotheizung reduziert werden kann. Ebenso kann die Länge
der Heizeinrichtung verkürzt werden, da es sowohl bei kontinuierlicher
als auch bei taktweiser Beheizung ausreicht eine wirksame Länge
etwa im Bereich der Länge eines Vorschubes der Thermoformmaschine
vorzusehen. Insbesondere bei Schäumen, die durch konventionelle
Beheizung aufgrund der geringen inneren Wärmleitfähigkeit
nur schwierig zu erwärmen sind, werden Energieeinsatz und
Baulänge der Heizeinrichtung erheblich reduziert.
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Ebenfalls
ist es vorteilhaft, dass die gesamte Folienbreite inklusive des
Randstreifens durchgewärmt wird, der wegen der Einspannung
durch Transportmittel bei den bekannten Heiztechniken nicht mit
erwärmt wird. Durch die Durchwärmung des Randstreifens
wird die Staubbildung beim Durchsetzen der Folienränder
durch übliche Transportmittel unterbunden.
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Die üblichen
Veränderungen der thermischen Randbedingungen beim Thermoformen,
wie z. B. die Aufwärmung der Maschine, des Raumes oder des
Halbzeugs im Laufe der Produktion können bei Verwendung
der Mikrowellenheizung quasi trägheitslos ausgeregelt und
angepasst werden.
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Das
Verfahren und die Vorrichtung sind anhand der schematischen Zeichnungen
näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
Seitenansicht einer Thermoformanlage mit einer Thermoformmaschine,
die nach dem Rollenprinzip arbeitet und mit einer Mikrowellenheizung
ausgerüstet ist.
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2 eine
Seitenansicht einer Thermoformanlage mit einer Thermoformmaschine,
die nach dem Platten- oder Rollenprinzip arbeitet und mit einer Mikrowellenheizung
ausgerüstet ist.
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1 zeigt
eine Folienrollenaufnahme 2 zur Aufnahme des Halbzeugs 1.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Mikrowellenheizung 6 eine
Vorheizung 4 vorgeschaltet ist. Es folgt die Mikrowellenheizung 6, an
der sich in vorteilhafter Weise ein Warmhaltetunnel 11 anschließt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Warmhaltetunnel 11 eine
Temperaturmesseinrichtung 7 auf. An den Warmhaltetunnel 11 schließt
sich die Formmaschine 12 an, in der die Transporteinrichtung 10 angebracht
ist.
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2 zeigt
ebenfalls eine Folienrollenaufnahme 2, die das Halbzeug 1 bevorratet
und dieses der Thermoformanlage zuführt. Der Folienrollenaufnahme 2 ist
in einer Ausprägung eine Querschneideinrichtung 3 nachgeschaltet.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Mikrowellenheizung 6 eine
Vorheizung 14 vorgeschaltet ist. Alternativ wird in dieser
Ausprägung das Halbzeug 1 in Form von Platten
verarbeitet. Der Plattenheber 9, der in der Beladeeinrichtung 22 angeordnet
ist, greift dabei auf den Stapel 5 zu. In einer Weiterbildung
ist die Vorheizung 14 für die Vorwärmung
der Platten in der Beladeinrichtung 22 angeordnet. Es folgt
die Mikrowellenheizung 6, an der sich in vorteilhafter
Weise ein Warmhaltetunnel 11 anschließt. Erfindungsgemäß weist
der Warmhaltetunnel 11 eine Temperaturmesseinrichtung 7 auf.
In einer anderen Weiterbildung sind der Mikrowellenheizeinrichtung 6 Kaltluftdüsen 8 nachgeschaltet.
Bestandteil des Warmhaltetunnels 11 ist die Transporteinrichtung 10.
Die Formmaschine 12 schließt sich dem Warmhaltetunnel 11 an.
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Die
Mikrowellenheizung 6 ist beispielsweise in Form eines kaskadierten
Mehrfachresonators aufgebaut. Bei dieser bekannten Bauart werden
die Mikrowellen, die in einem Generator, z. B. in einem Magnetron
erzeugt werden, mittels Röhren beispielsweise horizontal
zur Mikrowellenheizung 6 geführt. Die Röhren
sind senkrecht zur Bewegungsrichtung des Halbzeugs 1 beispielsweise
als Einheit mit mehreren Kammern oder in einen Metallkasten eingebaut,
der Schlitze für Eingang und Ausgang des Halbzeugs 1 aufweist.
Mittels der Transporteinrichtung 15, 10 wird auf
das Halbzeug 1 ein Bahnzug ausgeübt, der es straff
horizontal führt. Die Röhren werden innerhalb dieses
Metallkastens so versetzt zu einander angeordnet, dass die entstehenden
sinusförmigen Wellen derart ihre Energie an das Halbzeug 1 abgeben,
dass die „Täler" der Sinuswellen in einem ausreichend kleinen
Abstand liegen, dass sich keine „kalten Streifen" bilden
infolge zu geringer Energieübertragung.
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Eine
weitere Ausführungsform der Energieübertragung
mittels Mikrowellen an das Halbzeug 1 ist die Bauform mit
einzelnen Sendereinheiten. Diese Sender, bei dem jeder einen Mikrowellengenerator aufweist,
sind diskret senkrecht zur Halbzeugoberfläche ebenfalls
versetzt zu einander so aufgebaut, dass sich bei der Energieübertragung
auf dem Halbzeug 1 keine „kalten Streifen" bilden.
Die Wirkrichtung ist also um 90° verdreht zur oben beschriebenen Variante.
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In
vorteilhafter Weise wird die Mikrowellenheizung 6 so ausgeführt,
dass sie eine Kombination der beiden vorgenannten Ausführungsformen
darstellt.
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Beim
Verfahren gemäß 1 wird das
Halbzeug 1 in Form einer Folienrolle 18 mit tels
Folienrollenaufnahme 2 bevorratet und motorisch mittels
der Transporteinrichtung 15 abgewickelt. Über
eine sich bildende Materialschlaufe wird das Halbzeug 1 über einen
Folieneinlauf 19 der Vorheizung 4 zugeführt. Diese
ist beispielsweise als Walzenvorheizung ausgebildet und überträgt
Wärme durch elektrisch beheizte Walzen 20 im direkten
Kontakt einseitig auf die jeweils anliegende Halbzeugseite. Durch
starke Isolation der Vorheizung 4 und durch die vorteilhafte
Integration einer nicht dargestellten Raumheizung im Inneren der
Vorheizung 4 wird eine homogene Erwärmung des
Halbzeugs 1 erreicht, welche beispielsweise im Temperaturbereich
von 60–90°C liegt. Das so vorgewärmte
Halbzeug 1 verlässt die Vorheizung 4 und
wird vorzugsweise horizontal über Walzen 17 durch
die Mikrowellenheizung 6 geführt, in der die Zieltemperatur
des Halbzeugs 1 für die Verformung erreicht wird.
Im anschließenden Warmhaltetunnel 11 wird das
Halbzeug 1 mittels der Transporteinrichtung 15 kontinuierlich
durch die Mikrowellenheizung 6 bewegt und die Temperatur
des Halbzeugs 1 in vorteilhafter Weise mittels einer Temperaturmesseinrichtung 7 ermittelt
und als Stellgröße für die Regelung der
Leistung der Mikrowellenheizung 6 bereitgestellt. Die Walzen 17,
die im Warmhaltetunnel 11 in vorteilhafter Ausprägung
angeordnet sind, führen das Halbzeug 1 dergestalt,
dass die Differenzen durch den kontinuierlichen Vorschub des Halbzeugs 1 mittels der
Transporteinrichtung 15 und der diskontinuierlichen Fahrweise
der Formmaschine 12 durch die Bildung eine Schlaufe ausgeglichen
werden. Das Halbzeug 1 wird anschließend mittels
einer diskontinuierlich arbeitenden Transporteinrichtung 10 innerhalb der
Formmaschine 12 den Bearbeitungsstationen 21 zugeführt
und zu Thermoformartikeln verarbeitet. Beim Verfahren gemäß 2 wird
das Halbzeug 1 in Form einer Folienrolle 18 mittels
Folienrollenaufnahme 2 bevorratet und motorisch mittels
der Transporteinrichtung 15 abgewickelt. Über
eine sich bildende Materialschlaufe wird das Halbzeug 1 über
einen Folieneinlauf 19 der Querschneideinrichtung 3 zugeführt.
Alternativ kann bei diesem Verfahren auch Halbzeug 1 in
Form von Platten verarbeitet werden. Dabei werden Platten in der
Beladeeinrichtung 22 vom Stapel 5 mittels des
Plattenhebers 9 vertikal in Richtung der Transporteinrichtung 13 bewegt.
In einer vorteilhaften Ausbildung werden die Platten mittels Vorheizung 14 vorgewärmt,
bevor sie in Richtung der Mikrowellenheizung 6 horizontal
verschoben werden. In der Mikrowellenheizung 6 werden die Platten
fertig geheizt auf die jeweils geeignete Tiefziehtemperatur. Mittels
der Transporteinrichtung 10 werden sie danach in den Warmhaltetunnel 11 verbracht.
Hier werden sie, wenn der Bedarf von Partien des Halbzeugs 1 mit geringerer
Plattentemperatur gegeben ist, in einer vorteilhaften Ausprägung
mittels durch das Maschinenprogramm gesteuerte Kaltluftdüsen 8,
partiell gekühlt. Ebenfalls wird nach der Beheizung in
der Mikrowellenheizung 6 in einer Ausgestaltung die Temperatur
des Halbzeugs 1 mittels einer Temperaturmesseinrichtung 7 ermittelt
und als Stellgröße für die Regelung der
Leistung der Mikrowellenheizung 6 bereitgestellt. Nach
der Passage durch den Warmhaltetunnel 11 wird die fertig
geheizte Platte mittels der Transporteinrichtung 16 in
die Formmaschine 12 verbracht und dort in Bearbeitungsstationen 21 zu
Thermoformprodukten verarbeitet.
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- 1
- Halbzeug
- 2
- Folienrollenaufnahme
- 3
- Querschneideinrichtung
- 4
- Vorheizung
- 5
- Stapel
- 6
- Mikrowellenheizung
- 7
- Temperaturmesseinrichtung
- 8
- Kaltluftdüsen
- 9
- Plattenheber
- 10
- Transporteinrichtung
- 11
- Warmhaltetunnel
- 12
- Formmaschine
- 13
- Transporteinrichtung
- 14
- Vorheizung
- 15
- Transporteinrichtung
- 16
- Transporteinrichtung
- 17
- Walze
- 18
- Folienrolle
- 19
- Folieneinlauf
- 20
- Walzen
- 21
- Bearbeitungsstationen
- 22
- Beladeeinrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 3799727
A [0002]
- - DE 2216651 B2 [0003]
- - DE 2548382 A1 [0004]
- - DE 29724025 U1 [0005]
- - DE 2254706 A [0006]
- - DE 21620129 A [0007]