Verfahren und Heizeinrichtung zum Thermoformen

Technisches Anwendungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufheizen von thermoplastischen Halbzeugen beim Thermoformen, bei dem die Halbzeuge bis zur Umformtemperatur erwärmt, durch das Anlegen eines Differenzdrucks zwischen Halbzeugoberseite und Halbzeugunterseite zu einem dreidimensionalen Formteil geformt und anschließend unter Formzwang abgekühlt werden, wobei durch lokal unterschiedliche Erwärmung des Halbzeugs vor der Formung ein lokal unterschiedliches Umformverhalten erreicht wird. Die Erfindung betrifft auch eine Heizeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Beim Thermoformen wird ein thermoplastisches Halbzeug in eine definierte dreidimensionale Form gebracht. Für die Formung ist es erforderlich, das Halbzeug mindestens bis auf die Umformtemperatur zu erhitzen, bei der das Material ein für die Formung geeignetes Verhalten aufweist. Der Umformvorgang selbst wird durch eine Druckdifferenz zwischen Halbzeugoberseite und Halbzeugunterseite und je nach Umformgrad auch durch zusätzliches mechanisches Vorstrecken realisiert. Die Druckdifferenz wird durch den Einsatz von Druckluft und/oder Vakuum erzeugt. Nach der Formung erfolgt die Abkühlung des Halbzeugs. Als Halbzeuge kommen zumeist Kunststofffolien oder Kunststoffplatten zum Einsatz.

Stand der Technik

Beim Prozess der Formung ist es bei einigen dreidimensionalen Formen erforderlich, ein lokal unterschiedliches Umformverhalten oder eine bestimmte Wanddickenverteilung im Formteil zu erreichen, um beispielsweise einer unerwünschten Verdünnung an Ecken oder Kanten des herzustellenden Formteils entgegenzuwirken. Ziel ist es, dadurch die gewünschte Stabilität und Integrität des Formteils sicherzustellen. Je nach Temperatur verändern sich die Materialeigenschaften des thermoplastischen Materials und damit auch das Umformverhalten. Durch ein ungleichmäßiges Temperaturfeld kann bei der Aufheizung gezielt ein ungleichmäßiges Umformverhalten aufgeprägt werden, über das die Materialverteilung am herzustellenden Formteil steuerbar ist.

Die Erwärmung oder Aufheizung des Halbzeugs erfolgt für kleinere Formen in der Regel durch Kontakt- heizung. Diese Art der Aufheizung des Halbzeugs mittels direkten Wärmekontakts ermöglicht bisher aufgrund der Problematik der Wärmeleitung innerhalb des Heizwerkzeugs insbesondere bei kleinen Umformgeometrien keine gezielte und steuerbare ungleichmäßige Beheizung, um dadurch ein lokal unterschiedliches Umformverhalten zu erreichen. Um die Wanddickenverteilung am herzustellenden Formteil zu beeinflussen, werden daher überwiegend Vorstreckstempel eingesetzt. Mit diesen Stempeln kann durch den direkten Kontakt des erwärmten Halbzeugs mit dem Stempel eine definierte lokale Abkühlung in den nicht zu stark zu verformenden Bereichen erreicht werden. Weiterhin wird durch die Stempelbewegung ein Vorstrecken des Halbzeugs bewirkt,

welches die Wanddickenverteilung maßgeblich beein- flusst. Durch Anlegen eines Differenzdrucks, d.h. überdruck, Unterdruck oder beides, erfolgt dann die endgültige Ausformung.

Aus der DE 103 49 156 Al sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum pneumatischen Thermoformen von Kunststoffprodukten bekannt. Bei dem Verfahren wird das Halbzeug durch zusatzliche Beaufschlagung in selektiven Teilbereichen mit einer Temperatur erhöhenden Strahlung vor und/oder wahrend des Umformens lokal im Umformverhalten beeinflusst, so dass damit die Wanddickenverteilung im hergestellten Formteil beeinflusst werden kann. Für die Temperatur erhöhende Strahlung wird beispielsweise ein Laser, insbesondere ein CO ₂ -Laser, eingesetzt. Allerdings muss hierbei die eingesetzte Strahlung auf das Absorptionsvermögen des Halbzeugmaterials abgestimmt sein. Weiterhin erfordert der Einsatz eines Lasers in der Regel einen zusätzlichen Scanner, der den Laserstrahl über die selektiv starker aufzuheizenden Bereiche fuhrt.

In DE 10 2005 018 652 A ist eine Vorrichtung zum Erwarmen flachiger Gebilde durch eine Vielzahl benach- bart gitterartig angeordneter Wärmequellen beschrieben. Die Wärmequellen sind dabei als Punkt-Heizstrahler ausgebildet - die notwendige Warme wird demnach über Wärmestrahlung eingebracht. Die Heizstrahler sind einzeln ansteuerbar, damit eine flexible lokale Erwar- mung ermöglicht werden kann. Auch dabei muss eine

Abstimmung der Strahlerleistung auf das Absorptionsvermögen vorgenommen werden. Weiterhin ist mit dieser Vorrichtung eine partielle Vorwarmung mit Aufpragung

eines Temperaturprofils innerhalb des umzuformenden Bereiches nicht für kleine Umformgeometπen möglich. Durch die Dimension der Strahlungsquelle ist die Granularitat der Quellenmatrix vorgegeben. Zwar lasst sich durch spezielle Spiegelkonfigurationen eine Skalierung des Heizbereichs realisieren, jedoch gestaltet sich dies für die gleichzeitige Aufheizung mehrerer Kavitaten als sehr problematisch.

In WO 2008/034624 Al ist eine Heizplatte zum

Vorwarmen und Siegeln von Folienbahnen beim Thermo- formen beschrieben. Damit soll eine auf der Folienbahn angepasste Erwärmung im Warmekontaktprinzip erfolgen, was eine Verbesserung des Umformergebnisses ermöglicht. Diese Heizplatte ist durch eine Vielzahl innerhalb des Heizwerkzeugs angeordneter Heizmittel gekennzeichnet, die über die Versorgungsspannung hinsichtlich der einzustellenden Temperatur steuerbar und durch die Integration von Temperaturreglern zusätzlich regelbar sind. Nachteilig an diesem Prinzip ist die thermische Kopplung der Heizmittel durch die Anordnung innerhalb eines Heizwerkzeugs, durch die eine Ausprägung deutlicher Temperaturgradienten auf einer kleinen Flache nicht erreicht werden kann, wie sie insbesondere für kleinere Umformgeometrien notwendig ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Heizeinrichtung zum Thermoformen anzugeben, mit denen ein lokal unter- schiedliches Umformverhalten im Halbzeug ohne

Vorstreckstempel auch für kleinere und mittelgroße Umformgeometrien mit einer fem einstellbaren Temperaturverteilung innerhalb des Halbzeugs erreicht

werden kann und die keine Abstimmung auf Absorptionseigenschaften des Halbzeugs erfordern.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Heizeinrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Heizeinrichtung sind Gegenstand der abhän- gigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung und den Ausführungsbeispielen entnehmen.

Beim vorgeschlagenen Verfahren zum Thermoformen von thermoplastischen Halbzeugen werden die Halbzeuge bis auf die Umformtemperatur erwärmt, durch einen angelegten Differenzdruck zwischen Halbzeugober- und - Unterseite zu einem dreidimensionalen Formteil geformt und anschließend unter Formzwang abgekühlt, wobei durch lokal unterschiedliche Erwärmung des Halbzeugs vor und/oder während der Formung ein lokal unterschiedliches Umformverhalten erreicht wird. Unter der Umformtemperatur wird hierbei der Temperaturbereich verstanden, in dem sich das Material umformen lässt. Beim Thermoformen liegt die Umformtemperatur unter der Fließtemperatur des Kunststoffs, wobei der Kunststoff noch relativ formstabil ist, jedoch schon durch kleine Krafteinwirkungen plastisch verformt werden kann. Die Umformung selbst kann dabei mit bekannten Techniken erfolgen, insbesondere durch Vakuum-Formen oder

Druckluft-Formen oder durch eine Kombination beider Techniken. Die gleichen Techniken können auch zur Sicherstellung des Formzwangs während der Abkühlungs-

phase dienen. Das vorgeschlagene Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Erwärmung des Formteils durch Warmekontaktheizung erfolgt, bei der zwei Kontaktheizeinrichtungen eingesetzt werden, die von gegenüberliegenden Seiten gleichzeitig mit dem Halbzeug in Kontakt gebracht werden. Jede Kontaktheizeinrichtung umfasst dabei einen einzigen flachigen Heizkreis aus einer keramischen Heizschicht auf einem thermisch isolierenden Trager. Die Heizkreise sind so auf der Flache des Tragers ausgebildet, dass sie über diese Flache lokal unterschiedliche Heizleistung abgeben. Dies wird durch die geometrische Ausgestaltung und/oder Verteilung des jeweiligen Heizkreises auf dieser Flache erreicht. Als Trager kann beispielsweise eine keramische Platte eingesetzt werden.

Die zur Durchfuhrung des Verfahrens ausgebildete Heizeinrichtung zur Erwärmung eines eingebrachten Halbzeugs bis zur Umformtemperatur, an die sich beim Thermoformen eine Formstation zur Umformung des erwärmten Halbzeugs zu einem dreidimensionalen Formteil anschließt, ist durch zwei Kontaktheizeinrichtungen gebildet, die von gegenüberliegenden Seiten gleichzeitig mit dem Halbzeug in Kontakt bringbar sind. Jede Kontaktheizeinrichtung umfasst einen einzigen Heizkreis aus einer keramischen Heizschicht auf einem thermisch isolierenden Trager. Die Heizkreise sind dabei so auf der Flache des Tragers ausgebildet, dass sie über diese Fläche lokal unterschiedliche Heizleistung abgeben.

Durch den Einsatz von Kontaktheizeinrichtungen mit jeweils einem einzelnen flachigen Heizkreis, der aus einer keramischen Heizschicht gebildet und auf einem

thermisch isolierenden Trager aufgebracht ist, wird zum einen eine unerwünschte Warmeleitung wahrend der Aufheizphase über den Trager weitgehend vermieden. Dies ermöglicht zum anderen eine gezielte Steuerung der Temperaturverteilung bei der Aufheizung durch eine gezielte ungleichmäßige Verteilung bzw. geometrische Ausgestaltung des Heizkreises auf der dafür vorgesehenen Flache des Tragers. Durch die nahezu freie Gestaltbarkeit der die Heizkreise bildenden keramischen Heizschichten und somit der Heizleistung auf dieser Flache (Heizbild) kann der Wärmeeintrag in das jeweilige Halbzeug gezielt vorgegeben werden. Die Heizschichten werden dabei besonders vorteilhaft in der geometrischen Form der gewünschten Heizkreise als dünne Schicht aufgedruckt. Infolge des vergleichsweise geringen Querschnitts der Heizkeramik und der thermischen Entkopplung der Heizschichten vom Trager ist eine hochdynamische Temperaturregelung möglich. über die Gestaltung des Heizkreis-Layouts wird die gewünschte ungleichmäßige Temperaturverteilung erreicht.

Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Heizeinrichtung ermöglichen, durch partielle Aufheizung des thermoplastischen Materials des Halbzeugs die Wand- dickenverteilung bei der Formung gezielt zu beeinflussen. Auf die Verwendung von Vorstreckstempeln kann hierbei vollständig verzichtet werden. Die Wanddickenverteilung wird hauptsachlich durch die Temperatur- verteilung über die Heizbereiche gesteuert. Weiterhin kann die energetische Effizienz des Aufheizvorgangs durch die gezielte Energieleitung verbessert werden Dies wird dadurch erreicht, dass die Heizung nur beim direkten Kontakt mit dem Halbzeug betrieben wird. Die

Heizkreise sind so konzipiert, dass sie nur den Bereich, der umgeformt werden soll erhitzen. Weiterhin wird durch den Kontakt der Heizkreise mit dem Halbzeug die Warme direkt übertragen. Im Vergleich zu einem mit Strahlungsheizung durchgeführten Thermoformen spielt das Absorptionsvermögen des thermoplastischen Halbzeugs keine Rolle. Beim vorgeschlagenen Verfahren muss lediglich beim Design der Heizkreise die Lage und Dimension der Heizleitungen bzw. Heizkreise so gewählt werden, dass die jeweilige Heizleistung an den gewünschten Positionen erzielt werden kann. Dies kann vorab rechnerisch simuliert werden. Der Gestaltungsvielfalt sind hierbei lediglich physikalische Grenzen gesetzt. Durch den geringen Querschnitt der Heiz- leitungen und die thermische Entkopplung vom Trager besitzen die Heizleitungen eine geringe Wärmekapazität. Es ist somit eine hocheffiziente und hochdynamische Temperaturfuhrung beim Aufheizen des Halbzeugs möglich.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der temperaturabhangige Widerstand der Heizkreise zur Temperaturerfassung und -regelung eingesetzt. Durch diese Nutzung der Temperaturabhangigkeit des elektrischen Widerstands des Heizkreises als Messgroße für die Halbzeugtemperatur kann auf den Einsatz von

Temperaturfühlern für die Steuerung verzichtet werden. Damit kann der Warmeenergieeintrag über die Steuerung direkt erfasst und gesteuert oder zur Einhaltung einer lokalen Solltemperatur geregelt werden. Dies erfolgt über eine entsprechend ausgestaltete Steuereinrichtung, die den Widerstand des Heizkreises misst (Messung von Strom I und Spannung U) und den jeweiligen Heizkreis auf Basis dieser Messung zur Abgabe der für das

Erreichen oder die Aufrechterhaltung einer bestimmten Temperatur des Halbzeugs erforderlichen Heizleistung ansteuert. Die Heizeinrichtung lässt sich bei dem Verfahren auch als Impulsheizung betreiben.

Der thermisch isolierende Trager kann beim vorliegenden Verfahren bzw. der vorliegenden Heizeinrichtung beispielsweise aus Keramiken (z.B. Al ₂ O ₃ , AlN, Si ₃ N ₄ ) , Quarz oder Glaskeramiken bestehen. Für die keramischen Heizschichten können als

Materialien bspw. Mo-Silizide oder RuC> ₂ eingesetzt werden. Die Dicke dieser Heizschichten kann bspw. im Bereich zwischen 2 und 100 μm liegen. Die Heizschichten können hierbei direkt oder über eine bspw. keramische Zwischenschicht auf dem Trager aufgebracht sein.

Der Einsatz aufdruckbarer bzw. aufgedruckter keramischer Heizschichten bietet zwar besondere Vorteile bei der Herstellung, allerdings lassen sich unter Verzicht auf diese Vorteile selbstverständlich auch andere Techniken zum Aufbringen der Heizkreise einsetzen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Heizeinrichtung werden nachfolgend anhand von Ausfuhrungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung ein Beispiel für eine Heizeinrichtung und daran

anschließende Formstationen zum Thermoformen; und

Fig. 2 ein Beispiel für eine Ausgestaltung der Kontaktheizeinrichtungen .

Wege zur Ausführung der Erfindung

In Figur 1 ist stark schematisiert ein Beispiel für eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen Heizeinrichtung zum Thermoformen dargestellt. Figur Ia zeigt die Heizstation bzw. Heizeinrichtung und Figur Ib die Formstation, die sich an die Heizstation anschließt. Die Formstation ist in drei Arbeitstakten dargestellt. Hierbei wird in der Heizstation der wesentliche Teil der Erfindung umgesetzt. Die Darstellung der Form- Station erfolgt zur Veranschaulichung des Umformvorgangs ohne den Einsatz von Vorstreckstempeln. Im Wesentlichen wird eine Form 3 mit Kanälen 4 im Bodenbereich, die mit einer Vakuumpumpe 5b verbunden sind, und ein Formoberteil, welches mit einer Druckluftversorgung 5a verbunden ist, dargestellt.

Das umzuformende Halbzeug 1, in diesem Beispiel eine dünne Platte aus einem thermoplastischen Kunststoff, wird in der Heizstation positioniert, wie in der Figur Ia dargestellt ist. Zur Aufheizung dieses Halbzeugs 1 bis zur Umformtemperatur werden die Heizplatten 2 gleichzeitig von beiden Seiten in Kontakt mit dem Halbzeug 1 gebracht. Die Heizplatten 2 sind dabei so ausgebildet, dass sie eine geringere Heiz- leistung in die Bereiche des Halbzeugs 1 einbringen, die später an den unteren Ecken der Form 3 anliegen. In diesen Bereichen wird somit ein geringerer Material-

fluss wahrend der Umformung erzielt, so dass dort gezielt eine größere Wanddicke erreicht wird. Jede der Heizplatten 2 weist dabei nur einen einzigen Heizkreis aus einer keramischen Heizschicht auf, der im Layout so ausgeführt ist, dass die gewünschte lokale Temperaturverteilung im Halbzeug 1 erreicht wird. In der vergrößerten Detailansicht A der Figur Ia ist die den Heizkreis 6 bildende keramische Heizschicht auf dem thermisch isolierenden Trager 7 zu erkennen. Der rechte Teil der Figur Ia zeigt im Ausschnitt eine Draufsicht auf die Heizplatte 2.

Nach der Aufheizung des Halbzeugs durch Warme- kontakt mit den Heizplatten 2 wird das Halbzeug 1 in der Formstation positioniert, über die Vakuumpumpe 5b wird ein Unterdruck in dem unterhalb des Halbzeugs 1 befindlichen Hohlraum der Form 3 erzeugt, durch den das Halbzeug 1 an die Innenwandung der Form 3 angesaugt wird (vgl. Fig. Ib) . Gleichzeitig wird oberhalb des Halbzeugs 1 über die Druckluftversorgung 5a ein

überdruck aufgebracht, der die Umformung unterstutzt. Nach diesem Vorgang erfolgt eine Abkühlung des Halbzeugs 1 in dieser Form unter Aufrechterhaltung der Ansaugwirkung und des überdrucks, so dass die Abkühlung unter Formzwang erfolgt. Nach der Abkühlung kann das fertige Formteil aus der Form 3 entnommen werden.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird die lokal unterschiedliche Aufheizung des Halbzeugs mittels Warmekontaktheizung durch eine geeignete ungleichmäßige Verteilung des jeweiligen Heizkreises über der Flache der Heizplatte erreicht.

Fig. 2 zeigt hierzu ein Beispiel einer Heizplatte 2, auf der ein einziger keramischer Heizkreis 6 auf dem keramischen Träger 7 aufgebracht ist. Der Heizkreis 6 erzeugt aufgrund der Verteilung auf der Fläche des Trägers 7 in unterschiedlichen Bereichen unterschiedliche Temperaturen. Durch ein geeignetes Layout der Heizleitungen des Heizkreises auf dem Träger 7 kann jederzeit die gewünschte Temperaturverteilung erreicht werden. Ist eine andere Temperaturverteilung erwünscht, wird eine andere Heizplatte 2 mit einer anderen geometrischen Verteilung der Heizleitungen des Heizkreises 6 eingesetzt .

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Halbzeug

2 Heizplatte

3 Form

4 Kanal

5a Druckluftversorgung

5b Vakuumpumpe

6 Heizkreis

7 Träger