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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Formen von in erhitztem Zustand formbarem Halbzeug oder Plattenmaterial nach Anspruch 14, sowie ein Verfahren zum Schäumen von im aufgeheizten Zustand schäumbaren und das Volumen vergrößernden Halbzeug nach Anspruch 1.
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Formvorrichtungen, auch als Umformvorrichtungen, Formwerkzeug oder Umformwerkzeug bezeichnet, werden allgemein zur Herstellung von geformten Gegenständen verwendet. Sie werden daher auch als Werkzeuge oder als Formwerkzeuge bezeichnet. Eine solche Formvorrichtung umfasst üblicherweise eine Form mit zwei Formhälften, die eine Formoberseite sowie eine Formunterseite bilden. Dazwischen wird bei geschlossenen Formvorrichtungen ein Hohlraum, der sogenannte Formraum gebildet.
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Zum Formen des Gegenstandes wird das zu formende Material zwischen die beiden Formhälften gebracht. Dann werden die Formoberseite, die in der einen Formhälfte ausgebildet ist und die Formunterseite, die in der anderen Formhälfte ausgebildet ist, mit einem Schließmechanismus gegeneinander bewegt und die Form wird verschlossen. Das Material, beispielsweise ein Granulat, das sich im dabei gebildeten Formraum befindet, wird mittels chemischer und/oder thermischer und/oder Druckprozesse so umgewandelt, dass seine Oberfläche die Form der Formoberseite und der Formunterseite der Formvorrichtung annimmt.
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Bei dem Material kann es sich beispielsweise um ein schäumbares Kunststoffgranulat handeln, oder auch um eine Kunststoffplatte, beispielsweise eine Kunststoffschaumplatte. Auch andere Materialien, wie beispielsweise Metalle Metallgranulate oder auch Schmelzen können in derartige Formvorrichtungen aufgenommen und darin geformt werden.
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Halbzeug aus Schaumsystemen kühlt nach einer Erwärmung schnell ab. Eine Umformung ist daher häufig nur mit zusätzlichen Hilfsmitteln möglich. Schaumgranulat, wie beispielsweise Rohacell, das für ein „in situ“ Schäumen in einem Formwerkzeug verwendet wird, muss bei einer Umformung beispielsweise erwärmt werden. Bei den bekannten Umformwerkzeugen erfolgt eine solche Erwärmung nur von der Werkzeugoberfläche her. Da die Wärmeleitung in Schaummaterialien häufig sehr klein ist, kann es daher vorkommen, dass ein Teil des umzuformenden Materials an der Werkzeugwandung bereits verbrennt, während ein anderer Teil des umzuformenden Materials, welcher lokal von der Werkzeugwandung weiter entfernt ist, noch nicht einmal die Temperatur erreicht hat, bei der eine Umformung erfolgen kann.
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Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Kontaktlinsen offenbart die
EP 637 490 B1 . Die
DE 197 05 303 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Klein- und Mikroteilen aus einer Formmasse. Einen Photopolymerisationsformapparat offenbart die
DE 691 05 306 T2 . Die
DE 201 05 063 U1 beschreibt eine Vorrichtung zum Herstellen von Formteilen und die
DE 16 29 283 A beschreibt ein Verfahren zur Bildung eines geformten Schaumartikels.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren bereitzustellen, welches diesen Nachteil behebt und ein gleichmäßigeres Aufheizen des umzuformenden Materials gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Schäumen von im aufgeheizten Zustand schäumbaren und das Volumen vergrößernden Halbzeug in einer Formvorrichtung nach Anspruch 1, sowie durch ein Verfahren zum Formen von im erhitzten Zustand formbaren Halbzeug oder Plattenmaterial nach Anspruch 14. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Die Formvorrichtung zum Herstellen von geformten Gegenständen weist erfindungsgemäß eine Form mit einem ersten und einem zweiten Formelement auf, sowie eine Öffnungsvorrichtung zum Öffnen und Schließen der Form. Das erste Formelement weist eine erste Formseite mit einer darin ausgebildeten Formschale zum Aufnehmen von Halbzeug oder Plattenmaterial auf, sowie eine der ersten Formseite gegenüberliegend angeordnete Bestrahlungsseite. Das zweite Formelement weist eine zweite Formseite zum Aufnehmen von Halbzeug oder Plattenmaterial auf, die zur ersten Formseite hin gerichtet ist und mit der ersten Formseite einen Formraum definiert, wenn die Form geschlossen ist.
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Das erste Formelement besteht aus Quarzglas und die Formvorrichtung weist ein erstes Strahlersystem auf, das benachbart zur Bestrahlungsseite des ersten Formelements, auf die Bestrahlungsseite des ersten Formelements gerichtet, angeordnet ist. Ein im Formraum einer solchen Formvorrichtung aufgenommenes Material, wie beispielsweise Granulat oder Kunststoffpartikel kann durch vom Strahlersystem ausgestrahlter und das Quarzglas durchdringender Strahlung somit direkt erhitzt werden, ohne dass die Formraumwandung heiß sein muss. Das umzuformende Material kann daher die Strahlung direkt absorbieren und sich dabei aufheizen.
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Bekanntermaßen ist Quarzglas für eine Strahlung zwischen 300 nm und etwa 2000 nm transparent, so dass zum Erhitzen vorteilhafterweise Strahlersysteme verwendet werden, die Strahlung in diesem Wellenlängenbereich emittieren. Das erste Strahlersystem weist daher wenigstens eine Halogenlampe auf, die vorteilhafterweise stabförmig ausgebildet ist, um die Werkzeugform der Länge nach zu durchleuchten und das darin zu formende Material möglichst vollständig und gleichmäßig zu beleuchten.
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Der Großteil der Halogenlampenstrahlung kann, wenn die Halogenlampe bei einer hinreichend hohen Farbtemperatur betrieben wird, durch das Quarzglas auf das umzuformende Material transmittiert werden und trägt somit nur in geringem Maße zum Erhitzen der Formelemente bei. Die Dicke des ersten Formelements wird daher vorteilhafterweise so gewählt, dass der überwiegende Teil der zwischen 300 nm und etwa 2000 nm von dem ersten Strahlersystem durch das Quarzglas des ersten Formelements in Richtung Formraum abgestrahlten Energie den Formraum erreicht. Der Vorteil von stabförmig ausgebildeten Halogenlampen liegt darin, dass die Formvorrichtung bzw. das Formwerkzeug über seinen ganzen Längenbereich bestrahlt wird und das umzuformende Material daher auch entlang der Form gleichmäßig erhitzt wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist das erste Strahlersystem einen Reflektor auf, der wenigstens einen Teil der Strahlung des ersten Strahlersystems, die auf den Reflektor trifft, auf die Bestrahlungsseite des ersten Formelements reflektiert. Auf diese Weise kann auch der Teil der Strahlung des Strahlersystems zur Aufheizung des umzuformenden Materials verwendet werden, der nicht direkt auf die Bestrahlungsseite des ersten Formelements trifft. Dadurch kann ein größerer Teil der vom Strahlersystem abgestrahlten Strahlungsenergie ausgenutzt werden. Bei Verwendung von Halogenlampen bedeutet das, dass das aufzuheizende Material mit Halogenlampen geringerer Leistung aufgeheizt werden kann.
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Unter einem Reflektor soll in dieser Schrift ein Gegenstand verstanden werden, der ein reflektierendes Material oder eine reflektierende Beschichtung aufweist, wobei unter einem reflektierenden Material / einer reflektierenden Beschichtung ein Material / eine Beschichtung verstanden werden soll. Ein Material wird als reflektierend bezeichnet, wenn wenigstens 40% der zwischen 300 nm und 2000 nm der auf das Material auftreffenden Strahlung reflektiert. Reflektierende Materialien sind z.B., vorzugsweise hochpolierte, Metalle oder Metallbeschichtungen aus beispielsweise Gold oder Aluminium.
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In einer Ausführungsform ist die Formschale in das erste Formelement hineingefräst, wobei die Oberfläche der Formschale vorzugsweise poliert ist. Glatte, polierte Oberflächen reflektieren in der Regel die darauf auftreffende Strahlung stärker als raue, matte Oberflächen desselben Materials. Wenn die Oberfläche der Formschale poliert ist, kann daher ein größerer Teil der Strahlung, die den Formraum erreicht, von der Oberfläche der Formschale wieder in den Formraum zurückreflektiert werden und somit zusätzlich zur Aufheizung des umzuformenden Materials beitragen.
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Damit andererseits die Bestrahlungsseite des ersten Formelements nur einen sehr kleinen Teil der vom ersten Strahlersystem in Richtung auf diese Bestrahlungsseite emittierten Strahlung reflektiert, ist die erste Bestrahlungsseite vorteilhafterweise entspiegelt und/oder weist eine Entspiegelungsbeschichtung auf.
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In einer Ausführungsform ist die Form der Formvorrichtung als Presswerkzeug ausgebildet. Dadurch können auch Teile von beispielsweise Kunststoffplatten oder von Schaumplatten umgeformt werden.
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Um eine gleichmäßigere Erwärmung bzw. Aufheizung des umzuformenden Materials zu gewährleisten, kann beispielsweise das zweite Formelement aus einem strahlungsabsorbierenden Material bestehen, während das erste Formelement aus Quarzglas besteht. Bei der Erwärmung des umzuformenden Materials wird dann einerseits das Material durch die vom ersten Strahlsystem emittierte Strahlung erwärmt, andererseits wird durch diese Strahlung auch gleichzeitig das zweite Formelement erwärmt, da es die Strahlung absorbiert, was dazu führen kann, dass die Erwärmung des umzuformenden Materials sowohl von der Strahlersystemseite, als auch von der Seite des zweiten Formelements her unterstützt wird. In dieser Ausführungsform ist das umzuformende Material zweckmäßigerweise auf dem zweiten Formelement angeordnet oder mit dem zweiten Formelement kontaktiert.
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Andererseits kann das zweite Formelement auch eine, vorzugsweise der zweiten Formseite gegenüberliegende, in Richtung Formraum die Strahlung des ersten Strahlersystems reflektierende Seite aufweisen, um Strahlung, die durch beide Formelemente hindurchdringt, wieder zurück in den Formraum zu reflektieren. Das zweite Formelement ist aus Quarzglas. Die reflektierende Seite kann jedoch auch direkt auf der Oberfläche des zweiten Formelements sein.
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In einer weiteren Ausführungsform ist dem ersten Strahlersystem gegenüberliegend ein zweites Strahlersystem so angeordnet, dass die beiden Formelemente, mit ihren beiden Formseiten zueinander weisend, zwischen dem ersten und dem zweiten Strahlersystem angeordnet sind, wobei die beiden Strahlersysteme einander zugewandt ausgerichtet sind. Vorteilhafterweise ist in dieser Ausführungsform das zweite Formelement aus Quarzglas oder einem anderen transparenten Material. Durch die Verwendung zweier Strahlersysteme, bei denen ein Strahlersystem das umzuformende Material von der einen Seite erhitzt und das andere Strahlersystem das umzuformende Material von der der einen Seite gegenüberliegenden anderen Seite erhitzt, ist es möglich, das umzuformende Material effektiver und schneller von beiden Seiten zu erwärmen.
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Das zweite Strahlersystem weist zu diesem Zweck wenigstens eine, vorzugsweise stabförmig ausgebildete, Halogenlampe auf.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind dabei die beiden Strahlersysteme und die beiden Formelemente in einem Gehäuse angeordnet, das reflektierende Innenwände aufweist, welche einen Teil der von den beiden Strahlersystemen auf die Innenwände emittierten Strahlung reflektieren. Auf diese Weise kann ein Großteil der erzeugten Strahlung zur Erwärmung des umzuformenden Materials verwendet werden.
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Vorteilhafterweise weist wenigstens eines der Strahlersysteme mehrere, parallel zueinander angeordnete, stabförmig ausgebildete Halogenlampen auf, um eine gleichmäßige flächige Erwärmung des umzuformenden Materials zu gewährleisten.
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In einer Ausführung kann der von der geschlossenen Form gebildete Formraum wenigstens einen Druckausgleichskanal zum Ausgleichen von Druckdifferenzen zwischen dem Formraum und den die Form umgebenden Außenraum aufweisen. Die Formvorrichtung kann zusätzlich einen, vorzugsweise aus Quarzglas gebildeten und vorzugsweise leicht auswechselbaren Formeinsatz aufweisen. Durch einen leicht auswechselbaren Formeinsatz ist es möglich, mit einer einzigen Formvorrichtung, bzw. mit einem Formwerkzeug unterschiedlich geformte Formteile herzustellen.
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Das Verfahren zum Formen von in erhitztem Zustand formbarem Halbzeug oder Plattenmaterial in der Vorrichtung kann die folgenden Verfahrensschritte aufweisen: Zunächst wird das zu formende Halbzeug oder Plattenmaterial zwischen das erste und zweite Formelement eingebracht. Dann wird die Form geschlossen, oder die beiden Formelemente werden gegeneinander und gegebenenfalls gegen das Halbzeug oder Plattenmaterial so gepresst, dass das Halbzeug oder Plattenmaterial durch die beiden Formseiten geformt wird, wenn es aufgeheizt und formbar ist. Anschließend wird das zwischen dem ersten und zweiten Formelement eingebrachte Halbzeug oder Plattenmaterial aufgeheizt und geformt. Schließlich wird die Form wieder geöffnet und das geformte Halbzeug oder Plattenmaterial entnommen.
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Mit der Formvorrichtung kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Schäumen von im aufgeheizten Zustand schäumbaren und das Volumen vergrößernden Halbzeug durchgeführt werden. Dazu wird zunächst das zu schäumende Halbzeug in die Formschale des ersten Formteils eingebracht und die Form geschlossen. Das zu schäumende Halbzeug wird mit dem ersten und/oder zweiten Strahlersystem solange aufgeheizt, bis es aufschäumt und den Formraum vollständig ausfüllt. Dann kann der Aufheizvorgang beendet werden. Die Form wird nun wieder geöffnet, um das geschäumte Halbzeug zu entnehmen.
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In einem bevorzugten Verfahren wird das Halbzeug oder das Plattenmaterial auf 100°C bis 400°C, vorzugsweise 150°C bis 400°C aufgeheizt. Es sind auch Verfahren möglich, bei denen das Halbzeug oder Plattenmaterial unter Überdruck, beispielsweise einem Druck von wenigstens 3 bar, vorzugsweise bei Drucken zwischen 5 Bar und 200 Bar aufgeheizt wird.
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Das Halbzeug oder Plattenmaterial, bzw. das umzuformende Material kann beispielsweise PMI (Polymethacrylimid), PET (Polyester), EPP (expandiertes Polypropylen) oder EPA (expandiertes Polystyrol) sein. Es kann beispielsweise die Form eines Schaumgranulats oder die Form von Kügelchen aufweisen oder die Form von Schaumplatten, vorzugsweise mit einer Dicke bis 60 mm. Das Halbzeug kann thermoplastische GFK-Decklagen aufweisen, wie beispielsweise Polypropylen. Die Decklagen haben vorteilhafterweise eine Schmelztemperatur von weniger als 190°C. Das Halbzeug kann beispielsweise auch Vliesdecklagen aus Polypropylen, Polyethylen oder Mischvliesen aufweisen. Auch kompaktes Halbzeug als Ausgangsmaterial ist denkbar.
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Durch die Vorrichtung ist eine Erwärmung von Kunststoffen und Halbzeug direkt über dem Werkzeug möglich. Der Umformvorgang kann extrem schnell erfolgen, was die Abkühlung reduziert und die Taktzeiten verkürzt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Die dabei verwendeten Bezeichnungen, wie oben, unten, links oder rechts und ähnliches beziehen sich auf Ausführungsbeispiele und sollen in keiner Weise einschränkend sein, auch dann nicht, wenn sie sich auf bevorzugte Ausführungsformen beziehen. Es zeigen:
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1 ein Quarzglaswerkzeug für plattenförmiges Material,
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2 ein Quarzglaswerkzeug für schäumbares Granulat.
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1 zeigt ein Formwerkzeug bzw. eine Formvorrichtung 1 zum Umformen von Halbzeug 2, das als plattenförmiges Material vorliegt. Die Formvorrichtung 1 weist ein erstes Strahlersystem 4 auf, das auf eine Bestrahlungsseite 6 des ersten Formelements 8 gerichtet ist. Das erste Formelement 8 besteht aus Quarz und weist eine der Bestrahlungsseite 6 gegenüberliegende erste Formseite 10 auf. Die erste Formseite 10 ist auf einen optionalen Formeinsatz 12 gerichtet, der auf der zweiten Formseite 14 eines zweiten Formelements 16 angeordnet ist. Das zweite Formelement 16 besteht ebenfalls aus Quarzglas.
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Die erste Formseite 10 des ersten Formelements 8 ist zur zweiten Formseite 14 des zweiten Formelements 16 weisend oberhalb des Formeinsatzes 12 angeordnet. Ein zweites Strahlersystem 18, das auf eine Bestrahlungsseite 20 des zweiten Formelements gerichtet ist, ist unterhalb des zweiten Formelements 16 angeordnet. Zwischen dem ersten Formelement 8 und dem zweiten Formelement 16 ist das Halbzeug 2 in Form eines plattenförmigen Materials angeordnet. Der Formeinsatz 12 ist in einer auf der zweiten Formseite 14 des zweiten Formelements 16 angeordneten Formschale (nicht dargestellt) angeordnet. Im ersten Formelement 8 und im zweiten Formelement 16 sind jeweils Halterungsausnehmungen 22 für eine Öffnungsvorrichtung (nicht dargestellt) ausgebildet, mit der die Form 8, 16 geöffnet oder geschlossen werden kann. Die Strahlersysteme 4, 18 weisen jeweils Reflektoren 24, 26 auf.
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Die Bearbeitung des plattenförmigen Halbzeugs 2 in der Formvorrichtung 1 erfolgt folgendermaßen:
Zunächst wird das in Form von plattenförmigem Material vorliegende Halbzeug 2 zwischen dem ersten Formelement 8 und dem zweiten Formelement 16 angeordnet. Dann werden die beiden Formelemente 8, 16 mit der Öffnungsvorrichtung aufeinander zu bewegt und gegebenenfalls auf das Halbzeug 2 gepresst. Dabei kommt die erste Formseite 10 auf den optionalen Formeinsatz 12 oder auf die zweite Formseite 14 oder auf das Halbzeug 2 zu liegen. Nun werden die im ersten Strahlersystem 4 und im zweiten Strahlersystem 18 angeordneten Strahler, beispielsweise Halogenlampen eingeschaltet.
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Die von den Strahlersystemen 4, 18 emittierte Strahlung trifft entweder direkt, oder indirekt über die Reflektoren 24, 26 auf die Bestrahlungsseiten 6 und 20. Die Strahlung wird durch das erste Formelement 8 bzw. das zweite Formelement 16 in Richtung erste Formseite 10 bzw. zweite Formseite 14 emittiert, tritt durch die Formseiten 10, 14 hindurch und wird vom plattenförmigen Halbzeug 2 absorbiert. In der Folge erwärmt sich das plattenförmige Halbzeug 2 und wird plastisch verformbar. Während dieser Verformbarkeit werden die beiden Formelemente 8, 16 solange aufeinandergepresst, bis das Halbzeug 2 den Raum zwischen dem ersten Formelement 8 und dem zweiten Formelement 16 vollständig ausfüllt. Dann werden die beiden Strahlersysteme 4, 18 ausgeschaltet, die beiden Formhälften mittels der an den Halterungsausnehmungen 22 eingreifenden Öffnungsvorrichtung geöffnet und das geformte Halbzeug entnommen.
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2 zeigt ein Formwerkzeug zum Schäumen von im aufgeheizten Zustand schäumbaren und das Volumen vergrößernden Halbzeug in einer Formvorrichtung 1. Die Formvorrichtung 1 in 2 weist ein erstes Strahlersystem 4, ein zweites Strahlersystem 18, sowie ein erstes Formelement 8 und ein zweites Formelement 16 auf. Das erste Strahlersystem 4 ist, ebenso wie in dem Beispiel von 1 auf die erste Bestrahlungsseite 6 des ersten Formelements 8 gerichtet und oberhalb des ersten Formelements 8 angeordnet. Das zweite Strahlersystem 18 ist auf die zweite Bestrahlungsseite 20 des zweiten Formelements 16 gerichtet und unterhalb des zweiten Strahlersystems 18 angeordnet. In der zweiten Formseite 14 des zweiten Formelements 16 ist eine Formschale ausgebildet, auf welcher der Formeinsatz 12 angeordnet ist. Im Formeinsatz 12 ist ein Halbzeug in Form eines Granulats 2 aufgenommen. Wenn die Form 8, 16 geschlossen ist, wird in der Form ein Formraum 28 definiert, in dem das Granulat 2 aufgenommen ist.
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Nachdem das Granulat 2 im Formeinsatz 12 aufgenommen ist, wird das erste Formelement 8 in Richtung auf das zweite Formelement 16 bewegt und die Form 8, 16 wird mit der Öffnungsvorrichtung geschlossen. Dann wird das schäumbare Granulat solange mit den Strahlersystemen 4, 18 aufgeheizt, bis das aufgeschäumte Halbzeug den Formraum 28 vollständig ausfüllt. Zwischen dem Formraum 28 und dem die Formvorrichtung 1 umgebenden Außenraum kann dabei, entweder im ersten Formelement 8 oder im zweiten Formelement 16, oder zwischen den beiden Formelementen 8, 16 ein Druckausgleichskanal ausgebildet sein, der einen eventuell im Formraum 28 während dieses Verfahrens entstehenden Druckunterschied zwischen dem Formraum 28 und dem Außenraum ausgleicht. Sobald das schäumbare Halbzeug 2 den Formraum 28 vollständig ausgefüllt hat, wird der Aufheizvorgang beendet und die Strahlersysteme 4, 18 werden abgeschaltet. Nach einem optionalen Auskühlen des Halbzeugs wird die Form geöffnet und das geschäumte Halbzeug entnommen.
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Die Erfindung wurde anhand zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele erläutert, ohne auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt zu sein. So kann beispielsweise der Formeinsatz 12 aus einem transparenten Material wie beispielsweise Quarzglas sein, aber auch aus einem absorbierenden Material. Ist der Formeinsatz aus einem absorbierenden Material wird die vom zweiten Strahlersystem 18 emittierte Strahlung beispielsweise durch das zweite Formelement, welches aus Quarzglas besteht, auf den Formeinsatz 12 gestrahlt und vom Formeinsatz 12 absorbiert. Dabei heizt sich der Formeinsatz 12 auf, so dass zusätzlich zur Bestrahlung und Aufheizung des Granulats mit Strahlung, die vom ersten Strahlersystem 4 emittiert wird und die auf die Oberseite des Granulats trifft, eine Aufheizung des Granulats durch Wärmeleitung vom Formeinsatz 12 auf das Granulat 2 von der Unterseite des Granulats her erfolgen.
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Der Formeinsatz 12 ist optional. Die in der zweiten Formseite 14 ausgebildete Formschale könnte die gewünschte Oberflächenstruktur für das Halbzeug 2 aufweisen und es direkt aufnehmen. Viele andere Möglichkeiten des Aufbaus einer solchen Formvorrichtung 1 sind denkbar, ohne dass der Erfindungsgedanke verlassen wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Formvorrichtung, Formwerkzeug
- 2
- Halbzeug, Platten, Granulat
- 4
- erstes Strahlersystem
- 6
- Bestrahlungsseite des ersten Formelements
- 8
- erstes Formelement
- 10
- erste Formseite
- 12
- Formeinsatz
- 14
- zweite Formseite
- 16
- zweites Formelement
- 18
- zweites Strahlersystem
- 20
- Bestrahlungsseite des zweiten Formelements
- 22
- Halterungsausnehmung
- 24
- Reflektor
- 26
- Reflektor
- 28
- Formraum
