DE3641127A1 - Verfahren zur herstellung von woelbteilen aus metall-thermoplast-verbunden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Wölbteilen mit hoher Maßgenauigkeit, durch Zugdruckumformen von mehrlagigen Metall-Thermoplast- Verbundlaminaten oder -Verbundplatten, sowie eine Vorrichtung zur Durchfüh­ rung des Verfahrens.

Durch Zugdruckumformen, beispielsweise durch Tiefziehen, können sowohl me­ tallische als auch thermoplastische Werkstoffe verformt werden. Dabei wird, wie in Schreyer, Konstruieren mit Kunststoffen Teil 1, Carl Hanser Verlag - München 1972, Seite 100 bis 103 für die Umformung von Kunststoffen beschrieben, ein Zuschnitt aus dem betreffenden Werkstoff zwischen einem meist ringförmigen Niederhalter und dem Formunterteil federnd eingespannt, worauf der niederge­ hende Formstempel den aus dem Niederhalter nachgleitenden Werkstoffzuschnitt mitnimmt und unter Ausbildung der gewünschten Form in ein Formwerkzeug bzw. durch einen Ziehring drückt.

Die Herstellung tiefgezogener, dünnwandiger und relativ kleiner Verpackungs­ behälter mit einem Durchmesser von etwa 6 cm aus einer Verbundfolie, die aus einer 0,04-0,3 mm dicken Metallfolie und einer 0,008-0,1 mm dicken Thermoplastfolie besteht, ist beispielsweise in der DE-OS 22 50 587 und DE-OS 26 14 660 beschrieben.

Im Gegensatz zum Tiefziehen von nur aus Metall bzw. nur aus Kunststoff bestehenden Werkstücken, ist das Tiefziehen von Metall-Kunststoff-Verbunden nur bei Einhalten ganz besonderer Bedingungen möglich. In der DE-OS 26 14 660 beispielsweise müssen zur Erzielung einer zufriedenstellenden Verformbarkeit ganz definierte Foliendicken für Metall und Kunststoff verwendet werden, wobei die Kunststoffolie biaxial verstreckt sein muß. Trotz dieser einschränkenden und aufwendigen Bedingungen, die beim Tiefziehen von Metall-Kunststoff-Verbunden notwendig sind, lassen sich mit den bekannten Verfahren nur relativ kleine und dünnwandige Teile mit dünner Thermoplastschicht, bei denen überdies keine hohen Anforderungen an die Maßgenauigkeit gestellt werden, umformen.

Eine zufriedenstellende Umformung von dickeren Metall-Kunststoff-Verbunden, insbesondere mit Thermoplastschichten von über 0,1 mm Dicke, sowie insbeson­ dere die Herstellung von größeren Wölbteilen mit Radien von über etwa 100 mm kann mit den bekannten Verfahren nicht erreicht werden. Wenn das Verbund­ laminat beim Tiefziehen mit zu geringem Druck vom Niederhalter festgehalten und dadurch dem Stempeldruck zu leicht nachgeben kann, treten im Formteil Falten auf. Andererseits ergeben sich bei zu großem Druck durch den Niederhal­ ter Risse in der metallischen Deckschicht, da das Verbundlaminat in diesem Fall dem Stempeldruck nur unzureichend nachgeben und nicht genügend nachgleiten kann. Die Einstellung eines optimalen und definierten Druckes ist jedoch deshalb nicht möglich, da bei Anlegen von größeren Drücken auf das Verbundlaminat die Kunststoffschicht infolge des sogenannten "kalten Flusses" unter der metalli­ schen Deckschicht langsam weggedrückt wird, wobei sich die Druckverhältnisse dauernd ändern und nicht konstant eingestellt werden können. Außerdem ändern sich dabei Struktur und Eigenschaften des Verbundlaminates, das dann insbeson­ dere bei hohen Anforderungen an die Maßgenauigkeit unbrauchbar wird. Weiters treten bei den relativ hohen Drücken, die zum Festhalten des Verbundlaminates notwendig wären, zum Teil bereits schon vor dem Tiefziehen, nur durch das Einspannen allein, Deformationen des Verbundlaminats auf, die bis in den Formteilbereich reichen, wodurch dann keine einwandfreien Tiefziehteile mehr erhalten werden können.

Es war Aufgabe der Erfindung, ein neues Verfahren zu finden, bei dem die angeführten Nachteile ausgeschalten werden, und das die Herstellung einwand­ freier Tiefziehteile, auch aus Verbundlaminaten größerer Dicke und mit größe­ rem Durchmesser, wie sie beispielsweise für Parabolspiegel oder Parabolanten­ nen oder für KFZ-Karosserieteile, wie z. B. Kotflügel eingesetzt werden können, ermöglicht. Dabei werden insbesondere im Falle der Parabolspiegel und Parabol­ antennen besonders hohe Anforderungen an deren Maßgenauigkeit gestellt.

Die Lösung der Aufgabe konnte dadurch gefunden werden, daß das Verbundlami­ nat während des Umformens zwischen Niederhalter und Formunterteil derart eingeklemmt und festgehalten wird, daß ein kontrolliert gebremstes "Nachglei­ ten" möglich ist.

Gegenstand der Erfindung ist demnach ein Verfahren zur Herstellung von Wölbteilen mit hoher Maßgenauigkeit durch Zugdruckumformen von mehrlagigen Metall-Thermoplast-Verbundlaminaten aus mindestens einer Metallschicht und mindestens einer Thermoplastschicht, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Verbundlaminat während des Umformens durch ein im Niederhalter und Formun­ terteil integriertes Feder-Nutsystem mit einem solchen Druck festgehalten wird, daß es kontrolliert gebremst nachgleiten kann.

Während des Umformvorganges wird das Verbundlaminat durch den niedergehen­ den Formstempel unter Ausbildung der gewünschten Form in das Formunterteil bzw. durch einen Ziehring gedrückt. Dabei wird es durch eine am Umfang des Formrandes umlaufende Nut gezogen, in die es durch eine entsprechende, gegenüber der Nut angebrachte und in diese eingreifende Erhöhung (Feder) mit definiertem Druck gedrückt wird. Das Verbundlaminat kann dadurch nicht mehr frei, sondern entsprechend dem aufgebrachten Preßdruck nur mehr kontrolliert gebremst, der Kraft des Formstempels folgend, nachgleiten, wobei ein maßge­ naues und faltenfreies Formteil ohne Risse und im wesentlichen unter Beibehal­ tung der Ausgangsdicke des Verbundlaminates entsteht.

Mit Hilfe des Feder-Nutsystems wird im Vergleich zu den bisher verwendeten planen Preßflächen eine wesentlich größere Rückhaltekraft entwickelt, sodaß schon mit geringerer Niederhalterkraft die zur Erzielung einwandfreier Form­ teile optimalen Reibungsverhältnisse ohne Deformation des Verbundlaminats eingestellt werden können. Der optimale Druck, mit dem das Verbundlaminat im Feder-Nutsystem festgehalten wird, und bei dem es kontrolliert gebremst nachgleiten kann, also weder zu locker noch zu fest eingespannt ist, ist u. a. von der Art des Verbundlaminates, von dessen Dicke, von Form und Größe des Werkstückes, vom Stempeldurchmesser, sowie von den Reibungsverhältnissen zwischen den verschiedenen Materialien abhängig. Der bevorzugte Druck im Feder-Nutsystem beträgt beispielsweise bei der Herstellung eines Parabolspie­ gels mit einem Durchmesser von etwa 900 mm, einer Schüsseltiefe von etwa 140 mm und einer Dicke des Verbundes von etwa 6 mm 180 bis 200 N/cm².

Die Herstellung der für das Umformen eingesetzten Metall-Thermoplast-Ver­ bundlaminate kann in üblicher Weise durch diskontinuierliches oder kontinuierli­ ches Verpressen der Thermoplast- und Metallschichten erfolgen, wobei zur Erhöhung der Haftfestigkeit meist eine dazwischenliegende Haftvermittlerfolie mitverpreßt wird.

Zur Herstellung von Wölbteilen werden bevorzugt symmetrisch aufgebaute Verbundlaminate, die in der Mitte eine thermoplastische Kernschicht aufweisen, welche beidseitig mit je einer metallischen Deckschicht verbunden ist, verwen­ det. Dabei können die beiden Deckschichten aus gleichen oder aus unterschiedli­ chen Metallblechen oder -folien mit gleicher oder unterschiedlicher Dicke bestehen.

Die Thermoplastschicht besitzt bevorzugt Dicken von 0,1 bis 20 mm. Besonders bevorzugt werden Verbundlaminate mit einer 2 bis 10 mm dicken Thermoplastschicht verwendet, die 3 bis 50 mal dicker als die Metallschicht ist. Diese dickeren Platten werden beispielsweise zur Herstellung von Parabol­ spiegeln oder -antennen, bzw. von KFZ-Karosserieteilen verwendet. Die weniger dicken Platten bzw. Metall-Kunststoff-Verbundfolien, bei denen die Thermo­ plastschicht auch gleich bzw. sogar dünner als die Metallschicht sein kann, werden beispielsweise zur Herstellung geformter Antidröhnplatten verwendet.

Für spezielle Anwendungen ist es vorteilhaft, Verbundplatten mit einer elek­ trisch leitenden Thermoplastschicht einzusetzen, wobei die elektrische Leitfä­ higkeit durch Verwendung von Thermoplasten, denen beispielsweise Ruß, Graphit oder ein Metallpulver zugemischt wurde, erreicht wird. Derartige Verbundplatten können z. B. zur Herstellung elektrisch beheizbarer Parabolantennen oder Verkehrsspiegeln verwendet werden, die im Freien aufgestellt sind, und die im Winter schnee- und eisfrei gehalten werden sollen. Dies geschieht durch Anlegen einer Stromquelle an Metallkontakte, die an der leitenden Thermoplastschicht angebracht sind, bzw. direkt an die metallischen Deckschichten, wodurch sich die Thermoplastschicht auf Grund des Stromflusses erwärmt und Schnee und Eis abtauen.

Die Thermoplastschicht kann aus jedem möglichen Thermoplast, wie z. B. aus Polyolefin, Polyamid, Polyester, Polycarbonat oder ABS-Harz bestehen.

Bevorzugt werden Polyolefine, beispielsweise Polyethylen, Polypropylen oder deren Copolymere eingesetzt. Die Thermoplastschichten können auch mit Füll­ stoffen oder Verstärkungsfasern wie z. B. Kalk, Talkum, Holzmehl, Glaskugeln, Glas- Kohle- oder Zellulosefasern gefüllt oder verstärkt sein. Weiters ist es möglich, Verbundlaminate mit geschäumten Thermoplastschichten zu verwenden.

Die bevorzugte Dicke der Metallschicht liegt bei 0,1 bis 1 mm, obwohl auch die Verwendung von dünneren Metallschichten, vor allem gemeinsam mit dünneren Thermoplastschichten, und auch die Verwendung von Metallschichten mit einer Dicke von über 1 mm, vor allem gemeinsam mit dickeren Thermoplastschichten möglich ist.

Die Metallschicht besteht vorzugsweise aus Aluminium, Stahl, Edelstahl oder Kupfer. Die Aluminiumschichten können zusätzlich eloxiert, lackiert oder pul­ verbeschichtet sein.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Durchführung des Zugdruckformverfahrens, wie sie beispielhaft und schematisch in Fig. 1 darge­ stellt ist. Darin stellt (3) den Formelstempel, (2) den ringförmigen Niederhalter und (6) den Formunterteil dar. lm Formunterteil (6) ist eine rundum laufende ringförmige Ausnehmung (Nut) (7) ausgenommen, in die eine entsprechende rundum laufende Erhöhung (Feder) (5), die in Form eines Ringes im Niederhalter (2) angebracht ist, eingreift. (4) stellt das umzuformende Verbundlaminat dar, das beim Niedergehen des Stempels (3) zwischen Nut (7) und Feder (5) durchgezo­ gen wird. Mit Hilfe von am Umfang der Stahlform angebrachten Schrauben (1) wird über den Niederhalter (2) der optimale Preßdruck im Feder-Nutsystem eingestellt, durch welches das Verbundlaminat während des Umformens kontrol­ liert gebremst hindurchgezogen wird bzw. nachgleiten kann. Der optimale Preßdruck kann statt mit Schrauben beispielsweise auch hydraulisch aufgebracht werden.

Das Feder-Nutsystem besteht im Falle eines runden Formteils aus einer ringför­ migen Nut und analoger ringförmiger Feder, wie in Fig. 1 gezeigt. Bei anderer geometrischer Form des Formteils ist auch das Feder-Nutsystem entsprechend angepaßt, wobei Feder und Nut dann nicht kreisrund, sondern in der dem jeweiligen Formteil entsprechenden geometrischen Form im Niederhalter bzw. Formunterteil angebracht sind.

Beispiel

In einer Stahlform, wie sie in Fig. 1 teilweise dargestellt ist und deren Formstempel und Formunterteil mit hoher Genauigkeit entsprechend einer Parabolkurve gefertigt wurden, wurde aus einem 6 mm dicken Verbundlaminat, das aus einem 5 mm dicken Polypropylenkern, der beidseitig mit je einer 0,5 mm dicken Aluminiumdeckschicht (AlMgl) verbunden war, bestand, ein Parabolspie­ gel mit einem Durchmesser von 900 mm und einer Schüsseltiefe von 140 mm geformt. Das Verbundlaminat wurde mit einem Druck von ca. 190 N/cm² im Feder-Nutsystem mit Hilfe von 15 Gewindeschrauben M 16 eingespannt. Der Druck wurde über das Anzugsdrehmoment in den Gewindeschrauben eingestellt. Beim Niedergehen des Formstempels wurde das Verbundlaminat durch die Nut gezogen und zu einer einwandfreien Parabolschüssel ohne Falten oder Ober­ flächenrisse mit einer Gesamtdicke von 6 mm und hoher Steifigkeit umgeformt. Bei einer Vermessung der Parabolschüssel wurde die Abweichung von der theoretischen Parabolkurve in 720 Meßpunkten bestimmt. Die Meßpunkte lagen auf 90 Kreisen mit Radien von 5 bis 450 mm im gleichmäßigen Abstand von jeweils 5 mm, wobei auf jeder Kreisbahn 8 Meßpunkte lagen. Die maximale Abweichung je Kreisbahn betrug 0,24 mm, die gesamte Parabolschüssel zeigte eine maximale Abweichung von 0,65 mm.

Die erreichte hohe Genauigkeit ist vor allem im Hinblick auf Größe und Dicke des Formteils überraschend. Sie ermöglicht eine Verwendung als Parabolantenne im allgemeinen Telekommunikationsbereich, die Parabolantennen liefern ein­ wandfreie Bildqualitäten bei TV-Satellitenübertragungssystemen.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung von Wölbteilen mit hoher Maßgenauigkeit durch Zugdruckumformen von mehrlagigen Metall-Thermoplast-Ver­ bundlaminaten aus mindestens einer Metallschicht und mindestens einer Thermoplastschicht, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbundlaminat während des Umformens durch ein im Niederhalter und Formunterteil integriertes Feder-Nutsystem mit einem solchen Druck festgehalten wird, daß es kontrolliert gebremst nachgleiten kann.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ver­ bundlaminat symmetrisch 3-lagig aus einer thermoplastischen Kern­ schicht, die beidseitig mit je einer metallischen Deckschicht verbunden ist, aufgebaut ist.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoplastschicht eine Dicke von 0,1 bis 20 mm besitzt.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermo­ plastschicht eine Dicke von 2 bis 10 mm besitzt und 3-50 mal dicker als die Metallschicht ist.

5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoplastschicht aus einem Polyolefin besteht.

6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoplastschicht elektrisch leitfähig ist.

7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht 0,1 bis 1 mm dick ist.

8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht aus Aluminium, Stahl, Edelstahl oder Kupfer besteht.

9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbundlaminat im Feder-Nutsystem mit einem Druck von 180 bis 200 N/cm² festgehalten wird.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprü­ che 1 bis 9, beinhaltend einen Formstempel (3), einen Niederhalter (2) und ein Formunterteil (6), dadurch gekennzeichnet, daß der Niederhal­ ter (2) eine umlaufende Erhöhung (Feder) (5) aufweist, die in eine entsprechende umlaufende Ausnehmung (Nut) (7) im Formunterteil (6) eingreift, sodaß das zu verformende Verbundlaminat (4) zwischen der Erhöhung (5) und der Ausnehmung (7) festgehalten werden kann, wobei der Druck mit dem das Verbundlaminat (4) zwischen der Erhöhung (5) und der Ausnehmung (7) festgehalten wird, derart eingestellt wird, daß das Verbundlaminat (4) während des Zugdruckumformens kontrolliert gebremst nachgleiten kann.