DE2428795C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen einer aus thermoplastischem Kunststoff bestehenden Welltafel oder Wellbahn - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer aus thermoplastischem Kunststoff bestehenden Welltafel oder Wellbahn nach dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3.

Welltafeln aus Kunststoff werden nach der deutschen Patentschrift 12 04 810 aus ebenen Tafeln im thermoelastischen Zustand dadurch hergestellt, daß man je eine ebene Tafel an ihrem Rand fest einspannt und erwärmt, mittels zweier korrespondierender wellenförmiger Formwerkzeuge in eine gewellte Form bringt und die Formwerkzeuge nach dem Abkühlen der Tafel bis unter die Frweichungstemperatur abnimmt. Im Falle einer sinusförmigen Wellung wird gleichzeitig mit der Umformung eine monoaxiale Reckung von etwa 20% erreicht. Um diese Reckung zu erreichen, benötigt man bereits starke Formpressen, jedoch sind wegen des geringen Reckungsgrades die mechanischen Eigenschaften gegenüber ungereckl.em Kunststoff noch nicht wesentlich verbessert. Wenn man eine z. B. 70%ige Reckung erreichen will, muß die Tafel zunächst um etwa 50% in der Ebene vorgereckt und dann in der angegebenen Weise mittels piner Formpresse in die Wellform gebracht werden. Da bei dieser Umformung die von der Vorreckung herrührenden Kräfte überwunden werden müssen, benötigt man äußerst starke Formpressen in Jochbauweise. Wegen dieses großen technischen Aufwandes ist dieser Weg in der Praxis nicht beschritten worden.

ίο Aus der AT-PS 2 04 258 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Herstellen von Wellbahnen aus thermoplastischem Kunststoff durch abschnittweises Wellformen einer kontinuierlich erzeugten Bahn bekannt. Die an einen Extruder angeschlossene Vorrichtung weist eine Fördervorrichtung zum abschnittweisen Weiterbewegen der zu wellenden Bahn, gegebenenfalls eine Heizzone, eine Formzone mit beidseitig an die Bahn anlegbaren Formwerkzeugen und eine Wickelvorrichtung auf. Da die Heizvorrichtung nur für die gleichmäßige Erwärmung des jeweils zu verformenden Bahnabschnittes eingerichtet ist, ist die Vorrichtung für das Wellformen von gereckten Bahnen nicht geeignet.
Nach dem Verfahren der US-PS 30 00 057 wird eine Platte aus gerecktem Kunststoff in einem begrenzten Bereich in der Weise einseitig erwärmt, daß sich die Platte i-nter der Einwirkung der freigesetzten Rückstellkräfte sphärisch oder zylindrisch krümmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

JO gereckte, thermoelastisch vorformbare Tafel aus thermoplastischem Kunststoff ohne Anwendung von großen, senkrecht einwirkenden Kräften in eine gewellte Form zu bringen. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein solches Verfahren an einer kontinuierlich erzeugten gereckten Bahn durchzuführen und eine Vorrichtung dafür zu schaffen.

Die Aufgabe wird in ihrer allgemeinen Form durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Aufwendige Formpreßvorrichlungen in Jochbauweise werden dadurch entbehrlich, ohne daß die Reckvorrichtung, die statt der Vorreckung um 50% nunmehr eine 70%ige Reckung durchführen muß, deshalb wesentlich stärker ausgeführt zu werden braucht.

Durch das Verfahren gemäß Anspruch 3 und durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 4 wird das kontinuierliche Wellformen einer gereckten Bahn auf zweckmäßige Weise ermöglicht.

Bekanntlich sind in gerecktem Kunststoff die bei der Reckung entstandenen Spannungen eingefroren. Sie führen zur Formänderung, wenn man den Kunststoff über seine Erweichungstemperatur erwärmt. Die freigesetzten Rückstellkräfte werden beim Verfahren nach der Erfindung für das Wellformen herangezogen, brfindungsgemäß wird die Tafel oder Bahn aus Kunststoff jeweils von einer Seite erwärmt, so daß beim Überschreiten der Erweichungstemperatur nur auf einer Oberfläche die eingefrorenen Rückstellkraft freigesetzt werden. Solange sich ein hinreichend dicker Teil des Kunststoffes noch unterhalb der Erweichungs-

bo temperatur befindet, bleibt die Tafel bzw. Bahn eben. Erst wenn durch Wärmeleitung ein wesentlicher Teil des Kerns über die Erweichungstemperatur erwärmt ist, werden die darin freigewordenen Rückslellkräfte wirksam. Sie bewirken eine Kontraktion der erwärmten

f>5 Oberfläche, der jedoch die gegenüberliegende, nicht erwärmte Oberfläche, die sich unterhalb der Erweichungstemperatur befindet, nicht folgen kann. Die erwärmte Seite der Tafel oder Bahn krümmt sich daher

konkav ein, wobei die Schicht, die sich noch unterhalb der Erweichungstemperatur befindet, bleibend elastisch gekrümmt wird. Diese an der konvexen Seite der Tafel oder Bahn gelegene Schicht des Kunststoffes enthält neben den eingefrorenen thermoelastischen Rückstell- «5 kräften eine zusätzliche mechanische Rückstellkraft, die derjenigen einer kalt gebogenen Tafel entspricht Obwohl an der konkaven Seite eine Rückschrumpfung eingetreten ist, ist der Reckungsgrad gegenüber dem ursprünglichen Zustand nicht wesentlich verändert, so daß die vorteilhaften Eigenschaften des gereckten Kunststoffes auch dort vorhanden sind.

Das Wellformen gemäß der Erfindung läuft selbsttätig ab, wenn die Tafel oder Bahn einseitig auf die erforderliche ODerflächentemperatur erwärmt worden ist Wegen der niedrigen Wärmeleitfähigkeit der meisten Kunststoffe dauert der Wärmetransport von der erwärmten Oberfläche in den Kern in der Regel länger als das Erwärmen, so daß das Wellformen erst eintritt, wenn die Tafel oder Bahn bereits von der Wärmequelle entfernt ist. In ungünstigen Fällen, besonders bei sehr dünnen oder verhältnismäßig gut wärmeleitenden Tafeln oder Bahnen kann die nicht erwärmte Seite gekühlt werden.

Das Ausmaß der selbsttätig eintretenden Wellung hängt davon ab, wie tief die Erwärmung in den Kunststoff eindringt und wie schnell die erwärmte Seite wieder unter die Erweichungstemperatur abkühlt. Auch der ursprüngliche Reckungsgrad und andere Materialeigenschaften spielen eine Rolle. Wegen dieser schwer so beherrschbaren Abhängigkeit von zahlreichen Einflüssen ist es nicht zweckmäßig, die endgültie Gestalt der Welltafel oder Wellbahn der freien Verformung zu überlassen. Die entstehenden Wellen lassen sich mit einem Positiv- oder Negativ-Formwerkzeug, insbesondere mit beiden zusammen, ohne großen Kraftaufwand in eine genaue, reproduzierbare Form bringen. Natürlich muß das Formwerkzeug mit der durch die Wärmebehandlung hervorgerufenen Form im wesentlichen übereinstimmen.

Das Verfahren nach der Erfindung kann mit monoaxial gerecktem Kunststoff durchgeführt werden. Die Wellen liegen dann quer zur Reckrichtung. Derartiger Kunststoff besitzt noch nicht alle Vorzüge des biaxial gereckten Kunststoffes. Dieser hat in jeder Flächenrichtung eingefrorene Rückstellkräfte und kann in jeder gewünschten Flächenrichtung erfindungsgemäß gewellt werden. Die erwärmte Zone hat das natürliche Bestreben sich in der Längsrichtung, d. h. in der Richtung des Wellenzuges, zusammenzuziehen. Eine solche Kontraktion wird aber durch Aussteifung infolge der vorangegangenen Wellung verhindert. Damit eine einwandfreie Wellung entstehen kann, muß die erwärmte Zone geradlinig begrenzt sein und bis zu den Plattenrändern durchlaufen.

Für die Durchführung des Verfahrens reicht bereits ein geringer Reckungsgrad in der Größenordnung von 10 bis 20% aus. Wesentlich verbesserte mechanische Eigenschaften treten aber erst oberhalb eines Rekkungsgrades von 50%, insbesondere bei 60 bis 80%, fao bezogen auf die ursprün< >i\ ■,. Länge des ungereckten Kunststoffes, deutlich in Erscheinung.

Die Breite eines in einer Richtung gekrümmten Bereiches kann durch die Breite der erwärmten Zone recht genau vorherbestimmt werden. Wenn die b5 Erwärmung in dieser Zone sehr gleichmäßig erfolgt, bildet sich eine im Quarschnitt kreisbogenförmige Wellung aus. Der Grad der natürlich eintretenden Wellung wird durch die Eindringtiefe eier Erwärmung bestimmt Diese hängt wiederum von der Intensität und der Dauer der Wärmeeinwirkung ab. Vom Kreisbogen abweichende Wellprofile lassen sich herstellen indem man für eine unterschiedliche Erwärmung über Jie Breite eines Bereiches sorgt Zum Beispiel heizt aine dicht an der Oberfläche der Tafel angeordnete Strahlungsquelle die am nächsten gelegene Stelle stärker auf als die weiter entfernten Stellen und ruft eine Wellung hervor, die am Scheitel am stärksten und nach den Seiten hin flacher ist Ein solcher Wellungsverlauf eignet sich z. B. für sinusartig gewellte Tafeln oder Bahnen. Nebeneinander liegende gegensinnig gewellte Bereiche können unterschiedlich weit und unterschiedlich stark gewellt sein, so daß man vom Sinusverlauf abweichende Profile erzeugen kann.

Erfindungsgemäß wird die Erwärmung in den verschiedenen Bereichen auf beiden Seiten der Tafel oder Bahn gleichzeitig vorgenommen, so daß sich die erwärmten Bereiche gleichzeitig im entgegengesetzten Sinne krümmen.

Zum Erwärmen der zu kürmmenden Bereiche kann ein beliebiges Verfahren angewendet werden, beispielsweise das Kontakterwärmen mittels heißer Flächen, die während einer bestimmten Zeitdauer an die Tafel oder Bahn angedrückt werden. Ebenso geeignet ist das Strahlungserwärmen mittels Infrarotstrahlern, die eine ungleichmäßige Erwärmung hervorrufen, wenn sie dicht über der Oberfläche angeordnet sind. Bei hinreichend großem Abstand ist die Erwärmung gleichmäßig, jedoch ist es dann zweckmäßig, den zu erwärmenden Bereich mittels einer Strahlungsblende zu begrenzen.

]e intensiver die Wärmequelle auf die Tafel oder Bahn einwirkt, um so höher liegt die am Schluß des Erwärmens erreichte Oberflächentemperatur. Eine intensive Wärmequelle wird wegen der geringen Wärmeleitfähigkeit der meisten Kunststoffe zunächst nur eine dünne Schicht erwärmen. Die in dieser Schicht gespeicherte Wärme muß ausreichen, um durch Wärmeleitung eine ausreichend dicke Schicht bis über die Erweichungstemperatur zu erwärmen. Sie darf aber nicht so groß sein, daß durch diese Erwärmung auch die hintere Oberfläche die Erweichungstemperatur erreicht. Die Intensität der Wärmequelle und die Dauer der Wärmebehandlung muß deshalb in jedem Einzelfall empirisch den jeweiligen Bedingungen angepaßt werden. Die Oberflächentemperatur muß nach Abschluß der Wärmebehandlung in dem Bereich zwischen der Glastemperatur und der Zersetzungstemperatur liegen. Der Temperaturbereich zwischen 50 und 100⁰C oberhalb der Glastemperatur ist bevorzugt. Der Beginn der Wellung ist von der Intensität der Wärmequelle weitgehend unabhängig und wird vor allem durch die Materialeigenschaften des Kunststoffes, wie Dicke, Wärmeleitfähigkeit und Absorption der Wärmestrahlung, beeinflußt. Im Fall der Verarbeitung von 3 mm dickem, biaxial gerecktem Acrylglas hat es sich bewährt, mittels eines Infrarotstrahlers die Oberfläche innerhalb 5—10 Sek. auf eine Oberflächentemperatur von 200—300⁰C zu erwärmen. Die Wellung tritt in diesem Falle etwa 10 Sek. nach Beginn der Wärmebehandlung ein.

Gerecktes Acrylglas ist der bevorzugte Kunststoff für tile Ausführung des Verfahrens der Erfindung. Es kann sich dabei um gegossenes Polymethylmethacrylat handeln, das nach einer monoaxialen oder bevorzugt biaxialen Reckung um beispielsweise 50 bis 80% eine Dicke zwischen 1 bis 5 mm hat. Ebenso läßt sich

extrudiertes, gerecktes Acrylglas verwenden.

Die verarbeiteten Kunststoffe können vernetzt sein. Außer Acrylglas kommen alle anderen Kunststoffe in Betracht, die in Tafel- oder Bahnform zugänglich sind und bei erhöhter Temperatur in einen thermoelastischen Zustand übergehen. Als Beispiele seien Celluloseacetat, Cellulose-Acelobutyrat, Polyvinylchlorid, normales oder schlagzähes Polystyrol, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Polymere, Polyolefine und Polycarbonate genannt. Die Dicke der verwendeten gereckten Tafeln oder Bahnen kann zwischen 1 und 10 mm, vorzugsweise zwischen 2 und 5 mm liegen.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele vom Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 eine diskontinuierlich arbeitende Vorrichtung und

F i g. 2 eine kontinuierlich arbeitende Vorrichtung.

Eine Tafel t aus thermoplastischem Kunststoff wird diskontinuierlich zwischen zwei Reihen von versetzt angeordneten Heizelementen 2 einer Heizvorrichtung 3 eingebracht und erwärmt (Fig. 1). Die obere Reihe der Heizelemente 2 wird mittels einer Hubvorrichtung 4 von der Tafel 1 abgehoben. Die erwärmte Tafel 1 wirril vor Beginn des Wellungsvorgangs aus der Heizvorrichtung 3 entnommen und in eine Formpresse 5 eingelegt. Die Formpresse 5 wird erst geschlossen, wenn der Wellungsvorgang weitgehend von selbst abgelaufen ist, so daß nur noch geringe Schließkräfte erforderlich sind. Die Formpresse 5 wird geöffnet und eine fertige Wellplatte 6 entnommen, wenn ihre Temperatur auf beiden Seiten unter die Erweichungstemperatur abgesunken ist.

Nach dem zweiten Ausführungsbeispiel (F i g. 2) wird eine extrudierte und gereckte Bahn unmittelbar im Anschluß an eine nicht dargestellte Extrusions- und Reckvorrichtung kontinuierlich zu einer quer gewellten Bahn 13 geformt. Eine Heizvorrichtung 10 und eine Formpresse 12 sind im Prinzip ebenso beschaffen wie die Heizvorrichtung 3 bzw. die Formpresse 5 gemäß Fig. 1. Die Bahn 7 bildet nach der Reckvorrichtung eine Warteschleife 9, aus der sie abschnittweise mittels einer taktweise arbeitenden Fördervorrichtung 14 in die Heizvorrichtung 10 eingezogen wird. Diese enthält auf beiden Seiten der Bahn 7 eine gerade Zahl von versetzt angeordneten Heizstäben 15 und Strahlungsblenden 16, die in Längsrichtung auf einen je Arbeitstakt weiterbewegten Abschnitt 17 verteilt sind und die Bahnbreite ganz überspannen. Für die Herstellung der sinusförmig gewellten Wellbahn 13 ist der Bahnverlauf in der Heizvorrichtung 10 in einem stumpfen Winkel 11 zum Bahnverlauf in der Formpresse 12 angeordnet. Dieser stumpfe Winkel 11 entspricht dem Schnittwinkel der sinusförmigen Wellbahn 13 mit ihrer gedachten Mittelebene. Die fertige Bahn 13 wird mittels einer Wickelvorrichtung 14 aufgerollt. Der Arbeitsrhythmus der Formpresse 12 ist der Vorschubgeschwindigkeit der Extrusions- und Reckvorrichtung angepaßt, indem ein in die Heizvorrichtung 10 eingezogener Abschnitt 17 erst dann erwärmt wird, wenn genügend Länge der Bahn 7 in die Warteschleife 9 nachgefördert ist, um die erwärmte Bahn 7 vor Beginn des Krümmungsvorgangs

JO in die Formpresse 12 weiterfördern zu können. Dabei wird gleichzeitig ein neuer Abschnitt 17 in die Heizvorrichtung 10 eingeführt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnuneen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen einer aus thermoplastischem Kunststoff bestehenden Welltafel oder Wellbahn, bei dem eine gereckte Tafel oder Bahn zum Formen der Wellen in abgegrenzten Bereichen jeweils einseitig so weit erwärmt wird, daß lediglich an der erwärmten Oberfläche zum Auslösen der eingefrorenen Spannungen die Erweichungstemperatur des Kunststoffes überschritten wird, d a durch gekennzeichnet, daß das Erwärmen der monoaxial gereckten Tafel oder Bahn quer zur Reckrichtung und der biaxial gereckten Tafel oder Bahn in beliebiger Richtung durchgehend über ihre Ausdehnung in den parallel zueinander verlaufenden, aneinandergrenzenden Bereichen gleichzeitig wechselweise an den beiden Oberflächen erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Formen der Wellen mechanisch unterstützt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Erwärmen der kontinuierlich erzeugten wenigstens in Längsrichtung gereckten Bahn abschnittsweise jeweils in einem Abschnitt mit einer geraden Zahl der parallel verlaufenden Bereiche erfolgt und daß die Bahn nach dem Erwärmen jeweils um die Länge eines Abschnittes in Längsrichtung weiterbewegt wird, bevor sich die erwärmten Bereiche zu krümmen beginnen.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, mit einer taktweise arbeitenden Fördervorrichtung zum abschnittsweisen Weiterbewegen der zu wellenden Bahn, mit einer Heizvorrichtung, mit einer Formvorrichtung mit beidseitig an die Bahn anlegbaren Formwerkzeugen und mit einer Trenn- oder einer Wickelvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung (tO) eine gerade Zahl von abwechselnd auf gegenüberliegenden Seiten der Bahn (7) angeordneten Heizstäben (15) enthält, welche die Bahn (7) quer zu deren Bewegungsrichtung überspannen und die auf den je Arbeitstakt weiterbewegten Abschnitt (17) der Bahn (7) gleichmäßig verteilt sind.