DE4430824C2 - Verfahren zum Regeln der Temperatur eines Werkzeuges zum Tiefziehen und Ausstanzen von Behältern aus einer thermoplastischen Kunststoffolie und Formwerkzeug zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln der Tempera­ tur eines Werkzeuges zum Tiefziehen und Ausstanzen von Behäl­ tern aus einer thermoplastischen Kunststoffolie nach der Gattung des Hauptanspruches sowie ein Formwerkzeug zur Durch­ führung des Verfahrens.

Aus der DE 31 35 206 C1 ist es bekannt, beide Hälften eines Werkzeuges zum Tiefziehen und Ausstanzen von Behältern zu kühlen. Dabei wird die Temperatur der beiden Werkzeughälften über Temperaturfühler erfaßt und ein zugeführter Kühlwasser­ strom wird über ein Verteilerventil so auf die beiden Werk­ zeughälften aufgeteilt, daß die Temperaturdifferenz der beiden Werkzeughälften möglichst gering bleibt. Der Grund liegt darin, daß bei formenden und stanzenden Werkzeugen bei bestimmten Kunststoffen sehr enge Schnittspalte zwischen Stempel und Matrize eingehalten werden müssen, um ein saube­ res Austrennen zu erzielen. Bei Temperaturunterschieden zwischen den Werkzeughälften und aufgrund der damit verbunde­ nen Längenausdehnung gibt es bei Werkzeugbreiten ab ca. 400 mm Probleme, weil die äußeren Schnittstempelkanten auf die Matrizenbohrung auflaufen. Ein starker Verschleiß und Standzeitreduzierung oder sogar eine Beschädigung der Werk­ zeugteile sind die Folge. Die Längenänderungsprobleme sind besonders gravierend, wenn Teile des Werkzeuges aus unter­ schiedlichen Werkstoffen bestehen, z. B. aus Aluminium und Stahl.

Eine Schwierigkeit bei der Temperaturerfassung der Werkzeug­ hälften liegt darin, daß die Werkzeughälften keine durchge­ hend homogene Temperatur aufweisen. Bei einem Werkzeug wurde gemessen, daß die Schnittkante des Schnittstempels bei der Produktion eine Temperatur von 38°C annahm. Die Temperatur der Schnittkante der Matrize betrug 31°C. Das durch die Kühlbohrungen der Werkzeughälften fließende Kühlwasser hatte eine Temperatur von 10°C. Das bedeutete, daß innerhalb einer Werkzeughälfte Temperaturen zwischen 31°C und 10°C bzw. zwischen 38°C und 10°C herrschten. Das Problem be­ steht nun darin, den Ort zur Anbringung eines Temperaturfüh­ lers zu finden, der die Durchschnittstemperatur der Werkzeug­ hälfte aufweist, also die Temperatur, die zur Ermittlung einer Längenänderung herangezogen werden könnte.

In der Praxis ist es nicht möglich, diesen Ort zu definie­ ren, da er von vielen Parametern abhängt. Selbst wenn man ihn durch aufwendige Untersuchungen oder Messungen ermitteln könnte, wären immer noch konstruktive Grenzen gesetzt, da sich nicht alle Stellen des Werkzeuges zur Anbringung eines Thermoelementes eignen. In der Praxis wählt man deshalb einen konstruktiv günstigen bzw. möglichen Platz mit der beschriebenen Mangelhaftigkeit.

Beim Abstellen des Werkzeuges, z. B. bei Betriebsunterbre­ chungen bzw. Störungen, ändern sich die Temperaturverhält­ nisse, auch wenn man die Kühlmittelzufuhr stoppt. Es tritt eine Vergleichmäßigung der Temperaturen ein. Beim Wiederan­ schalten der Maschine stellt sich nach einiger Zeit wieder eine stabile Temperaturverteilung ein. Ein Temperaturfühler kann immer nur die Temperaturen einer stelle messen, die nichts aussagt über die Temperatur benachbarter Bereiche, die für die Längenänderung aber mit ausschlaggebend sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu finden, um diese Unzulänglichkeiten der Temperaturmessung zu umgehen. Dies sollte auf einfache und zuverlässige Weise erfolgen. Eine aufwendige elektrische Steuerung sollte nicht erforderlich sein.

Zur Lösung der Aufgabe wird vorgeschlagen, die Längenverände­ rung von bestimmten Bauteilen der Werkzeughälften zu messen und aufgrund dieser Längenänderung ggf. eine Veränderung der Temperierung der Werkzeughälften vorzunehmen. Als Bauteile bieten sich hier einerseits die Schnittplatte, andererseits der Kühlblock als Träger der Schnittstempel an. Da die Län­ gendehnung in der Größenordnung von nur wenigen 100stel mm beträgt, sind besondere Maßnahmen und Einrichtungen erforder­ lich, um eine sichere Messung dieser geringen Längendehnung zu erzielen und diese für eine Regelung der Werkzeugtempera­ tur heranzuziehen. Das Werkzeug zur Durchführung des Verfah­ rens ist mit Einrichtungen versehen, um diese Längenverände­ rung von Werkzeugteilen zu messen und diese für die Steue­ rung der Kühlmittelzufuhr heranzuziehen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und vorteilhafte Aus­ bildungen sind anhand der schematischen Zeichnungen näher beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Formwerkzeug

Fig. 2 eine Längsdarstellung des Werkzeuges

Fig. 3 eine Darstellung des Kühlkreislaufes eines Werkzeuges

Fig. 4 eine Längsdarstellung des Werkzeuges mit einer anderen Einrichtung zur Erfassung der Längsdeh­ nung

Fig. 5 eine Längsdarstellung eines Werkzeuges mit einer dritten Ausführungsform der Einrichtung zur Längenmessung

In Fig. 1 ist der Aufbau eines Formwerkzeuges, das zum Tiefziehen und Ausstanzen von Teilen aus thermoplastischer Kunststoffolie dient, im Querschnitt dargestellt. Es besteht aus zwei Werkzeughälften 1, 2, zwischen beiden verläuft die Folienbahn 14 aus thermoplastischem Kunststoff, aus der Teile 15 durch Differenzdruck tiefgezogen und ausgestanzt werden. Dabei setzt sich die untere Werkzeughälfte 2 im wesentlichen aus einer Grundplatte 3, einem Kühlblock 4 und mehreren eingesetzten Schnittstempeln 5 mit je einem Auswer­ ferboden 6 zusammen. Die obere Werkzeughälfte 1 besteht aus der Kopfplatte 7, einer Zwischenplatte 8, der Matrize 9, Niederhaltern 10 und Streckhelfern 11. Das Kühlen der beiden Werkzeughälften 1, 2 erfolgt durch Zufuhr von Kühlmitteln über Bohrungen 12, 13 und entsprechende Aussparungen an den zu kühlenden Teilen.

Entscheidend für die einwandfreie Funktion eines Werkzeuges ist die Wärmedehnung von Matrize 9 und Kühlblock 4, die möglichst gleich sein sollte, da zwischen einem Schnittstem­ pel 5 und der zugehörigen Matrizenbohrung nur ein sehr gerin­ ger Schnittspalt sein darf, um gute Schnittergebnisse erzie­ len zu können.

An Matrize 9 und Kühlblock 4 sind Einrichtungen angeordnet, um deren Längenveränderung zu erfassen. Gemäß Fig. 2 beste­ hen diese Einrichtungen aus einem Sensor 16 auf z. B. indukti­ ver oder kapazitiver Basis - auch Lasereinrichtungen sind geeignet - angeordnet auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Matrize 9. Sie wirken auf eine Fläche 17 des Kühlblockes 4. Ausgehend von einem Referenzpunkt bzw. Nullpunkt, der bei Raumtemperatur aller Werkzeugteile erfaßt wird, registrieren die Sensoren 16 eine positive oder negative Längenverände­ rung je nachdem, ob die Matrize 9 ein höheres oder niederes Wärmeniveau aufweist als der Kühlblock 4. Dieses von den Sensoren 16 gemeldete Signal wird einer Steuerung 18 zugelei­ tet, die ein entsprechendes Signal einem Verteilerventil 19 zuleitet im sinne einer Regelung. Das Verteilerventil 19 wird entsprechend so verstellt, daß eine intensivere Kühlung der längeren Werkzeughälfte erfolgt und umgekehrt. Anstelle des Einwirkens auf ein Verteilerventil 19 ist es selbstver­ ständlich auch möglich, auf je ein Drosselventil oder Ab­ sperrventil in der Zuleitung zu jeder Werkzeughälfte 1, 2 einzuwirken. Auch ist es möglich, den Kühlblock 4 mit einer konstanten Kühlwassermenge zu durchströmen und die Kühlwas­ sermenge der Matrize 9 so anzupassen, daß deren Längenverän­ derung der Längenveränderung des Kühlblockes 4 angepaßt wird.

Unter bestimmten Voraussetzungen kann die Verwendung eines Sensors 16 ausreichen, wenn von einer symmetrischen Ausdeh­ nung der Werkzeugteile ausgegangen wird. Dies kann z. B. durch eine entsprechende Befestigung von Matrize 9 und Kühl­ block 4 erreicht werden.

Fig. 4 zeigt eine andere Möglichkeit der Messung der Längen­ veränderung von Matrize 9 und Kühlblock 4. Auf beiden Teilen ist je ein Meßstab 20 einseitig in einem Lager 21 gehalten. Diese Meßstäbe 20 sind aus einem Material, das eine sehr geringe Wärmeausdehnung aufweist. Auf dem Markt sind solche Maßstäbe 20 z. B. unter der Bezeichnung "Vacodil 36" erhält­ lich. Das freie Ende der Meßstäbe wird von je einem Sensor 21 erfaßt, der ebenfalls an der Matrize 9 bzw. am Kühlblock 4 befestigt ist. Wieder ausgehend von einem Referenzpunkt bei Raumtemperatur melden die Sensoren eine Längenverände­ rung von Matrize 9 bzw. Kühlblock 4, bei einer abweichenden Temperatur der Werkzeughälften 1, 2, da sich zwar Kühlblock 4 und Matrize 9 in der Länge verändern, die Maßstäbe 20 aber nur eine unbedeutende Längenveränderung erfahren. Die Meßwer­ te werden wieder einer Steuerung 18 zugeführt, die bei Diffe­ renzen der Längenveränderung eine Beeinflussung der Kühlwas­ serzuführung in bekannter Weise im Sinne einer Regelung herbeiführt.

Eine dritte Lösung besteht darin (Fig. 5), auf Matrize 9 und Kühlblock 4 dünne Drähte 23 aufzubringen, vergleichbar mit dem Aufbau von Dehnmeßstreifen. Bei einer Längenverände­ rung ändert sich der Querschnitt der Drähte und damit deren Widerstand. Diese Widerstandsänderung wird von der Steuerung 18 erkannt. Bei einer Abweichung zwischen den beiden Werk­ zeughälften 1, 2 erfolgt die Beeinflussung der Kühlung.

Die Meßergebnisse werden um so genauer, je größer die Meß­ strecke ist. Es ist also vorteilhaft, die ganze oder annä­ hernd die ganze Breite von Matrize 9 und Kühlblock 4 in die Messung mit einzubeziehen. Prinzipiell ist es aber auch denkbar, nur Teile der Werkzeugbreite zu messen, in dem die Meßeinrichtungen entsprechend ausgelegt werden. Eine Verbil­ ligung und auch eine Normung dieser Einrichtung ist dann durchführbar. So könnte man die Längenveränderung von Werk­ zeugen in einen Breitenbereich von 700 bis 1000 mm mit Maß­ stäben 20 bzw. Drähten 23 messen, die für eine Meßlänge von 700 mm ausgelegt sind.

Das in eine Formstation einer Thermoformmaschine eingebaute Formwerkzeug ist im Betrieb Erschütterungen ausgesetzt, hervorgerufen durch mechanische Bewegungen und den Stanz­ schlag. Diese Erschütterungen können Auswirkungen auf das Meßergebnis der Längenveränderung haben, die sich ja im µm-Bereich abspielt. Um diese Auswirkungen auszuschalten, wird vorgeschlagen, die Messung in einer definierten Lage der Werkzeughälften 1, 2 zueinander taktweise vorzunehmen, z. B. immer dann, wenn die Formstation geöffnet oder gerade geschlossen ist, also z. B. in einer Ruhephase der Werkzeug­ bewegung. Es wird ferner vorgeschlagen, diese einzelnen taktmäßig erhaltenen Meßwerte mit vorhergehenden Meßwerten zu vergleichen und Ausreißer zu eliminieren. Ferner ist es denkbar, mehrere Meßwerte zu addieren und den Mittelwert zu bilden, wobei dann die Mittelwerte verglichen und zur Rege­ lung herangezogen werden. Auf diese Weise wird verhindert, daß Meßfehler, die bei dieser Art der Messung auftreten können, keine negative Beeinflussung der Kühlstromregelung zur Folge haben. Sie werden eliminiert oder vergleichmäßigt.

In der Regel wird man eine gleichmäßige Ausdehnung von Kühl­ block 4 und Matrize 9 anstreben. Es ist denkbar - z. B. bei Fertigungstoleranzen der Werkzeugstichmaße - diese dadurch zu kompensieren, daß man eine entsprechende Kühlung an­ strebt. In einem solchen Fall wird eine gewollte unterschied­ liche Längenveränderung von Matrize 9 und Kühlblock 4 vorge­ geben.

Claims (12)

1. Verfahren zum Regeln der Temperatur eines Werkzeuges zum Tiefziehen und Ausstanzen von Behältern aus einer thermo­ plastischer Kunststoffolie, bei dem beide Werkzeughälften von einem Kühlmedium durchströmt werden und eine Beein­ flussung der Kühlung beider Werkzeughälften in Abhängig­ keit der Temperaturdifferenz der Werkzeughälften erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Längenveränderung von Teilen der beiden Werkzeughälften gemessen und zur Beein­ flussung beider Werkzeughälften herangezogen wird, um die Längenveränderung gleich oder auf einem vorgegebenen Unterschied zu halten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längenveränderung der Teile beider Werkzeughälften ge­ trennt erfaßt und der Steuerung zugeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Differenz der Ausdehnung der Teile beider Werkzeug­ hälften erfaßt und dieser Wert der Steuerung zugeleitet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Erfassen der Längenänderung nur zu einem bestimmten Zeitpunkt während eines jeden Taktes erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Mittelwerte der Meßwerte über einen bestimm­ ten Zeitraum gebildet und diese Mittelwerte zur Verarbei­ tung in der Steuerung (18) herangezogen werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zu stark von zuvor gemessenen Wer­ ten abweichende Meßwerte unterdrückt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Längenveränderung der gesamten Breite der Matrize (9) bzw. des Kühlblockes (4) gemes­ sen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Teilbereiche der Breite von Matrize (9) bzw. Kühlblock (4) zur Längenmessung herangezogen werden.

9. Formwerkzeug zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1 bestehend aus einer oberen Werkzeughälfte mit einer Kopfplatte und einer Matrize sowie einer unteren Werkzeughälfte mit Grundplatte, Kühlblock und eingesetz­ ten Stempeln, wobei Matrize und Kühlblock von Kühlmit­ tel durchströmt werden, gekennzeichnet durch Einrichtun­ gen zur Erfassung der Längenveränderung der Matrize (9) und des Kühlblockes (4).

10. Formwerkzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß an der Matrize (9) ein oder zwei Sensoren (16) befestigt sind, die je eine Meßfläche (17) am Kühlblock (4) abtasten.

11. Formwerkzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß an Kühlblock (4) und Matrize (9) je ein Sensor (21) angeordnet ist, der die Länge eines Meßstabes (20) aus einem sich unter Wärme gering ausdehnenden Materials erfaßt.

12. Formwerkzeug nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch auf der Matrize (9) und dem Kühlblock (4) aufgebrachte dünne Drähte (23), die mit einer Stromquelle in Verbin­ dung stehen und deren Widerstand erfaßt wird.