DE69909835T2

DE69909835T2 - Kunststoffstreckverfahren und -vorrichtung zur verwendung im vakuumformen

Info

Publication number: DE69909835T2
Application number: DE69909835T
Authority: DE
Inventors: Meek John PRESTON; Gordon Hall
Original assignee: PRESTON ASSOCIATES (EUROPE) Lda; PRESTON ASSOCIATES EUROP Lda M
Current assignee: PRESTON STRETCHFORM LTD., HELENSBURGH, DUNBART, GB
Priority date: 1998-12-31
Filing date: 1999-12-30
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2019-12-31
Also published as: DE69909835D1; EP1140470A1; EP1140470B1; ATE245521T1; AU1987900A; WO2000040392A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen die Technologie zum Strecken von Kunststofftafeln. Insbesondere betrifft die Erfindung das Strecken von Kunststofftafeln als Vorbereitungsschritt zur Verwendung bei Vakuumformverfahren.
Vakuumformverfahren werden in einer Vielzahl von Industriezweigen verwendet; beispielsweise können Badezimmereinrichtungen wie Badewannen aus einer einzigen Tafel thermoplastischen Materials vakuumgeformt werden. Das gegenwärtig am meisten verwendete thermoplastische Material, das zur Formgebung von Badezimmereinrichtungen verwendet wird, ist Acryl.
Bei diesem Herstellungsverfahren betragen die Kosten für die thermoplastische Tafel ungefähr 70% der Gesamtkosten des Herstellers. Es wäre daher vorteilhaft, ein Verfahren zu finden, bei dem weniger Thermoplast bei dem Herstellungsverfahren verwendet wird. Wenn man jedoch lediglich eine dünnere Tafel verwenden würde, würde man erwarten, ein Endprodukt mit verringerter mechanischer Festigkeit herzustellen.
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung vakuumgeformter Gegenstände zur Verfügung zu stellen, das weniger Thermoplast als übliche Verfahren verwendet, während die mechanische Festigkeit beibehalten oder sogar verbessert wird.
Wir haben herausgefunden, dass eine thermoplastische Tafel, wie beispielsweise eine Acryltafel, die vor dem Vakuumformen gestreckt worden ist, ein Endprodukt darstellt, das höhere mechanische Festigkeit aufweist als eine nicht gestreckte Tafel, die zu Beginn des Vakuumformschritts die gleiche Stärke aufweist.
Wenn man jedoch überlegt, wie man diesen Streckschritt industriell umsetzen kann, so wird eine technische Schwierigkeit offensichtlich. Wenn eine Kunststofftafel gedehnt wird, wird sie sich an den Rändern verwerfen, d. h. dass sie sich zur Mitte hin mit nach innen neigenden Seiten verjüngen wird. Das bedeutet, dass sie nicht überall eine konstante Breite und Dicke haben wird, und somit nicht effizient in kleinere Quadrate oder rechteckige Abschnitte geschnitten werden kann.
Beispielsweise offenbart das US-Patent mit der Nr. 5,271,352 von Critical Sciences (Australien) Limited eine Kunststoffstreckvorrichtung zur Verwendung beim Vakuumformen von Schiffskörpern. Diese Vorrichtung zieht Kunststoff ohne jegliche Mittel zur Vermeidung der Entstehung von Randverwerfungen auseinander. Sie ist daher ungeeignet, bei einem merklichen Streckumfang verwendet zu werden.
Die PCT/LTS92/07408 beschreibt eine Kunststoffstreckvorrichtung mit beweglichen Klemmvorrichtungen, die alle Seiten einer Kunststofftafel festhalten. Die Kanten der Kunststofftafel wären jedoch nicht in der Lage, sich mit dem Material als Ganzes auszudehnen, wodurch Ihre Form verzerrt wird.
Um dieses Problem zu lösen, beschreitet die JP60049921 von Toyota Jidosha KK teilweise den Weg, indem sie entlang zumindest einer Seite einer Kunststofftafel eine Vielzahl an Klemmen zeigt. Die Bewegung jeder Klemme muss jedoch individuell gesteuert werden, was zu einer komplexen und teuren Maschine führt.
Die US3579718 beschreibt eine Vorrichtung zum Strecken von Materialtafeln, wobei längliche Klemmvorrichtungen vorgesehen sind, die eine Vielzahl beweglicher Klemmvorrichtungen umfassen. Obwohl dadurch Bewegung der Klemmen während des Streckens ermöglicht wird, besteht jedoch keine Möglichkeit, um danach die gestreckte Tafel in Stellung zu halten, um ein anschließendes Vakuumformen zu ermöglichen.
Die US3635640 beschreibt in ähnlicher Weise Anordnungen und Verfahren, wobei die Vorrichtung der US3579718 verwendet werden kann.
Bei der JP63197626 von Shinto Kogyo KK werden mehrere Klemmen entlang gegenüberliegender Seiten einer Kunststofftafel automatisch durch Ihr Befestigtsein auf endlosen Rollenketten gesteuert, die dazu dienen, die Kunststofftafel in und aus einer Heizvorrichtung zu bewegen sowie um die Kunststofftafel zu halten. Wenn das Material jedoch von dieser Maschine gestreckt wird, indem die zwei Rollenketten sich einzeln bewegen, sind die Materialkanten, die von den Ketten gehalten werden, nicht in der Lage, sich proportional zusammenzuziehen, was zur Verzerrung der Kanten und zur Verwerfung der Tafel als Ganzes führt.
Das Ziel dieser Erfindung besteht somit darin, eine Maschine für und ein Verfahren zum Strecken von Kunststofftafeln zur Verfügung zu stellen, das verwendet werden kann, um die gesamte Grundfläche der Tafel auszudehnen, ohne die Tafel zu verzerren, Material zu verschwenden, oder nicht einheitliche Stärke aufzuweisen. Insbesondere beabsichtigt die Erfindung einen einfach steuerbaren Mechanismus zur Verfügung zu stellen. Darüber hinaus beabsichtigt diese Erfindung, die Kunststofftafel in einer Weise zu strecken, die zur unmittelbaren Verwendung beim Vakuumformen geeignet ist, um die festigkeitsverbessernden Vorteile des Streckschritts zu erlangen.
In dieser Anmeldung bezieht sich der Begriff "Kunststoff" auf sämtliche thermoplastische Materialien.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Maschine zum Strecken rechteckiger Kunststofftafeln gemäß Anspruch 1 zur Verfügung gestellt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Strecken rechteckiger Kunststoffmaterialtafeln gemäß dem unabhängigen Anspruch 8 zur Verfügung gestellt.
Eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben.
1 ist eine Draufsicht einer Kunststofftafelstreckmaschine;
2 ist ein Querschnitt durch eine Kunststoffstreckmaschine entlang der Linie A-A;
3 ist eine perspektivische Ansicht einer Kunststoffstreckmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine Ergebnistabelle eines Kerbschlagfestigkeitsversuchs nach Charpy [Notched Charpy Impact Strength test], der gemäß BS EN ISO 179/1eA-1997 durchgeführt wurde; und
5 zeigt einen Plan um Materialtafeln in einer herkömmlichen Weise und in einer Weise zu zerschneiden, die zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignet ist.
Eine Kunststoffstreckmaschine, die in der Draufsicht in der 1 dargestellt ist, ist zur Verwendung bei rechteckigen Kunststoffmaterialtafeln oder jedem anderen vakuumverformbaren Material vorgesehen. Es sind längliche Klemmvorrichtungen in Form von vier Klemmleisten (1 bis 4) vorgesehen, wobei eine jeweils eine Kante der rechteckigen Kunststofftafel festklemmt. Die Klemmleisten 1 und 3 liegen sich gegenüber. Ebenso liegen sich die Klemmleisten 2 und 4 gegenüber. Die Klemmleisten 1 und 2 sind ortsfest, wohingegen die Klemmleisten 3 und 4, wenn sie von einer programmierbaren logischen Steuervorrichtung gesteuert werden, bewegt werden können,.
Jede Klemmleiste 1, 2, 3 und 4 umfasst mehrere zweite Klemmvorrichtungen 5 (wovon in der 1 nur einige bezeichnet sind). Diese Klemmvorrichtungen sind auf jeder Klemmleiste angebracht und können sich entlang ihrer Länge mit einem niedrigen Reibkoeffizienten bewegen.
Innerhalb der Vorrichtung ist eine rechteckige heiße thermoplastische Tafel angeordnet und wird an ihren vier Rändern umlaufend von den zweiten Klemmen 5 festgehalten. Diese Vorrichtung ist in der 2 entlang der Linie A-A im Querschnitt gezeigt. Die Maschine kann ferner Mittel aufweisen, um selbst die Tafel zu erwärmen und/oder um die Tafel warm zu halten.
Die Betätigungsvorrichtung 6 (eine ist beispielhaft detailliert dargestellt) aktiviert den Klemmmechanismus. Dies veranlasst den Klemmkopf, um Gelenk 7 auf Stützbaugruppe 8 herumgedreht zu werden und die Kunststofftafel wird in den zweiten Klemmen 5 zwischen Platten 9 und 10 gehalten. Andere Klemmleistenpaare werden dann beiseite gezogen. Während beispielsweise die Klemmleiste 1 orstfest bleibt, kann die Klemmleiste 3 davon wegbewegt werden, wodurch die Kunststofftafel in der Längsrichtung gestreckt wird. Die Klemmleisten 2 und 4 bewegen sich nicht. Die zweiten Klemmen 5 besitzen jedoch eine Bewegungsfreiheit, um sich entlang der Klemmleisten zu bewegen. Sie werden von der Materialtafel hinterhergezogen und bewegen sich somit proportional zur Bewegung der Klemmleiste 3. Sie dienen dazu, um Randverwerfungen entgegenzuwirken.
In ähnlicher Weise kann die Klemmleiste 4 von der Klemmleiste 2 wegbewegt werden, während Klemmleiste 1 und Klemmleiste 3 ortsfest bleiben. Wiederum bewegen sich die Klemmvorrichtungen proportional zu der Streckung der Tafel, die durch Bewegung der Klemmleiste 4 verursacht wird, und verhindern Randverwerfungen.
Wenn die Streckphase abgeschlossen ist, betätigt eine Betätigungsvorrichtung 11 über einen Druckbolzen 12 eine primäre Klemmvorrichtung, mit der jede geklemmte Gruppe ausgestattet ist und eine Kopfplatte 13 und eine Fußplatte 14 umfasst, innerhalb derer die Kunststofftafel sicher gehalten wird. Alle vier Seiten werden sofort gehalten.
Dann wird durch die geklemmte Tafel hindurch eine Form nach oben gefahren, wodurch eine Dichtung geschaffen wird. Anschließend wird in der Form mittels einer üblicher Vorrichtung ein Vakuum erzeugt, um die sich ergebende Form zu bilden. Am Ende dieses abgeschlossenen Produktzyklus werden die zweiten Klemmschlitten 5 unter Einsatz der ersten Klemmleisten in ihre Ausgangspositionen zurückbewegt. Eine Reihe von Kopplungen verhindert, dass die zweiten Klemmen 5 sich gegenseitig zu nahe kommen.
Die 4 zeigt eine perspektivische Ansicht der kombinierten Streck- und Vakuumformmaschine. In dieser Figur ist eine konventionelle Vakuumformvorrichtung 15 unterhalb der Streckvorrichtung vorgesehen. Die Maschine sieht ebenfalls begrenzte Kühlung zur Steuerung der Dickeverteilung des Endprodukts vor. Dies ist ein Verfahren, das gemäß dem Stand der Technik verwendet wird, wobei die Kühlvorrichtung 16 oberhalb der Steckvorrichtung angebracht ist. Es wird eine elektronische Steuerung 17 vorgesehen, um eine Automatisierung des Verfahrens zu ermöglichen.
Der gesamte Prozesszyklus einschließlich der zeitlichen Abstimmung und der Bewegungen wird mittels eines Computers oder einer programmgesteuerten logischen Steuereinrichtung gesteuert. Dank dieser Maschine ist es möglich, erhebliche Einsparungen bei den Rohstoffkosten zu machen; Experimente haben beispielsweise gezeigt, dass ohne weiteres Einsparungen von 30%–50% erzielt werden können. Diese wären nicht erzielbar, wenn lediglich eine dünnere Thermoplasttafel vakuumgeformt wird, da nur die durch den Streckschritt hervorgerufen Festigkeitsvorteile, diese geringere zu verwendende Kunststoffmasse, ermöglicht.
Die 4 zeigt eine Ergebnistabelle eines Kerbschlagfestigkeitsversuchs nach Charpy (N.C.I.S.), der gemäß BS EN ISO 179/1eA-1997 auf Stichproben von 5 mm Acrylat beschichtetes ABS angewandt wurde, das dem obigen Verfahren unterzogen wurde.
In dieser Tabelle wurden Biegemodulversuche gemäß BS EN ISO 178 – 1997 mit einer Prüfgeschwindigkeit von 2 mm/min. durchgeführt. Die Prüfstäbe der Stichprobe 10 waren nominell 4 mm dick × 10 mm breit.
Die Prüfstäbe der Stichprobe 12 nominell 2,2 mm dick × 15 mm breit. Gefallener Ball [Fallen Ball]. Alle Kerbstichproben nach Charpy, die ein gültiges Ergebnis lieferten, zeigten eine Art Teilbruch.
Die 5(a) zeigt ein übliches Verfahren zum Zerschneiden einer Kunststofftafel mit den Maßen 3100 mm × 1800 mm, um vier rechteckige Stücke mit den Maßen 1750 mm × 750 mm zur Verwendung bei der Herstellung eines Produktes mit den Abmessungen 1700 mm × 700 mm herzustellen. Es sollte zur Kenntnis genommen werden, dass um den Rand herum ein Verschnitt übrig bleibt. Die 5(b) zeigt, wie die selbe Tafel in sechs rechteckige Stücke mit den Maßen 1550 mm × 600 mm ohne Verschnitt zerschnitten werden kann, die dann gestreckt werden können, um in gewohnter Weise, wie zuvor beschrieben, ein Erzeugnis mit den Maßen 1700 mm × 700 mm zu ergeben.
Dies verringert die erforderliche Zeit und den Platzbedarf, um Rohstoff zu lagern. Außerdem werden weniger verschieden große Tafeln von einem Hersteller bevorratet werden müssen. Diese Vorteile stellen einen deutlichen Einschnitt bei den Herstellungskosten des Produktes dar, wodurch ein wichtiger wirtschaftlicher Vorteil hervorgerufen wird.
Der Fachmann wird erkennen, dass dieses Verfahren bei Acrylkunststoff oder jedem anderem vakuumformbaren Material angewandt werden kann.
Weitere Modifikationen und Verbesserungen können mit aufgenommen werden, ohne den Bereich der Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert wird, zu verlassen.

Claims

Maschine zum Strecken und Vakuumformen einer rechteckigen Tafel aus Plastikmaterial, wobei die Maschine ein erstes und ein zweites orthogonales Paar einander entgegengesetzter länglicher Klemmvorrichtungen (1–4) hat, die angreifbar mit den Seiten der genannten Tafel zusammenwirken und dadurch die genannte Tafel halten, wobei die länglichen Klemmvorrichtungen (1–4) primäre Klemmvorrichtungen (13, 14) und sekundäre (5) Klemmvorrichtungen umfassen, wobei die primären Klemmvorrichtungen (13, 14) eine Seite der Tafel des Plastikmaterials angreifbar und fixiert einklemmen und die sekundären Klemmvorrichtungen (5) einen Teil des Randes der rechteckigen Plastiktafel angreifbar einklemmen und ausgeführt sind, um sich entlang der Länge der länglichen Klemmvorrichtungen (1–4) zu bewegen, wobei die Maschine eine Vorrichtung zum kontrollierbaren Auseinanderzwingen eines ersten Paares entgegengesetzter länglicher Klemmvorrichtungen (1 und 3) und dadurch zum Strecken einer dazwischen gehaltenen Tafel hat, wodurch das zweite Paar entgegengesetzter länglicher Klemmvorrichtungen (2 und 4) die beweglichen sekundären Klemmvorrichtungen (5) benutzt, um die genannte Tafel sich in einer zu den Längen des zweiten Paares länglicher Klemmvorrichtungen (2 und 4) paralleeen Richtung einheitlich strecken zu lassen, während es einer Bewegung der eingeklemmten Seiten der Tafel in einer zu den Längen des zweiten Paares länglicher Klemmvorrichtungen (2 und 4) orthogonalen Richtung widersteht, und wenn die Plastiktafel gestreckt worden ist, werden die fixierten primären Klemmvorrichtungen (13, 14) dann zum Festhalten der Plastiktafel in einer festen Position während des Vakuumformvorgangs verwendet.
Maschine zum Strecken und Vakuumformen einer rechteckigen Tafel aus Plastikmaterial nach Anspruch 1, wobei die Maschine Vorrichtungen zum kontrollierbaren Auseinanderzwingen beider Paare entgegengesetzter länglicher Klemmvorrichtungen (1–4) und dadurch zum Strecken einer darin festgehaltenen Tafel in zwei Dimensionen hat, wobei jede längliche Klemmvorrichtung (1–4) die sekundären Klemmvorrichtungen (5) benutzt, um die genannte Tafel sich in einer zu der Länge der genannten einzelnen länglichen Klemmvorrichtungen (1–4) parallelen Richtung einheitlich strecken zu lassen, während sie einer Bewegung der von den genannten einzelnen länglichen Klemmvorrichtungen (1–4) eingeklemmten Seite der rechteckigen Tafel in einer zu der Länge der genannten einzelnen länglichen Klemmvorrichtungen (1–4) orthogonalen Richtung widersteht.
Maschine zum Strecken und Vakuumformen einer rechteckigen Tafel aus Plastikmaterial nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Maschine die Aufgabe hat, die Tafel zunächst in eine Richtung und dann anschließend in eine zweite, zu der ersten Richtung orthogonalen Richtung zu strecken.
Maschine zum Strecken und Vakuumformen einer rechteckigen Plastiktafel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die sekundären Klemmen von der Bewegung der Tafel entlang der Länge der länglichen Klemmvorrichtungen bewegt werden.
Maschine zum Strecken und Vakuumformen einer rechteckigen Plastiktafel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Maschine eine Heizvorrichtung zum gleichmäßigen Erwärmen einer darin gehaltenen Plastiktafel hat.
Maschine zum Strecken und Vakuumformen einer rechteckigen Plastiktafel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Vakuumformvorrichtung angreifbar und ausgeführt ist, um eine von der Maschine zum Strecken einer viereckigen Plastiktafel gestreckte rechteckige Plastiktafel unter Vakuum zu formen, während die genannte rechteckige Plastiktafel noch von den primären fixierten Klemmvorrichtungen (13, 14) in den länglichen Klemmvorrichtungen (1–4) der Maschine gehalten wird.
Maschine zum Strecken und Vakuumformen einer rechteckigen Plastiktafel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Maschine eine Vorrichtung zum selektiven Kühlen von Zonen der darin gehaltenen Plastiktafel hat.
Verfahren zum Strecken und Vakuumformen einer rechteckigen Tafel aus Plastikmaterial, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (a) angreifbares Halten der Seiten der genannten Tafel mit Hilfe beweglicher Klemmvorrichtungen (5) und (b) (i) Strecken der genannten Tafel entlang einer ersten Achse der genannten Tafel, während die Seiten der genannten Tafel, während die Seiten der genannten Tafel parallel zu der ersten Achse gehalten werden, um die Tafel sich entlang der ersten Achse proportional strecken zu lassen, aber um einer zu der ersten Achse orthogonalen Verformung der Seiten der genannten Tafel zu widerstehen, und (c) Festhalten der Seiten der genannten gestreckten Tafel mit Hilfe von fixierten Klemmvorrichtungen (13, 14) und (d) Vakuumformen der genannten gestreckten Tafel.
Verfahren zum Strecken und Vakuumformen einer rechteckigen Tafel aus Plastikmaterial nach Anspruch 8, wobei das Verfahren ferner den folgenden Schritt aufweist: (b) (ii) Strecken der genannten Tafel entlang einer zweiten Achse der genannten Tafel, während die Seiten der genannten Tafel parallel zu der zweiten Achse gehalten werden, um die Tafel sich proportional entlang der zweiten Achse strecken zu lassen, aber um einer Verformung der Seiten der genannten Tafel orthogonal zu der zweiten Achse zu widerstehen, wobei die zweite Achse zu der ersten Achse orthogonal ist.
Verfahren zum Strecken und Vakuumformen einer rechteckigen Tafel aus Plastikmaterial nach Anspruch 8, wobei das Verfahren gleichzeitig zum Strecken der genannten Platte parallel zu einer ersten Achse auch das Strecken der genannten Tafel entlang einer zweiten Achse der genannten Tafel beinhaltet, wobei die Seiten der genannten Tafel parallel zu der zweiten Achse gehalten werden, um die Tafel sich entlang der zweiten Achse proportional strecken zu lassen, aber um einer Verformung der Seiten der genannten Tafel orthogonal zu der zweiten Achse zu widerstehen, wobei die zweite Achse zu der ersten Achse orthogonal ist.
Verfahren zum Strecken und Vakuumformen einer rechteckigen Tafel aus Plastikmaterial nach Anspruch 8, bei dem die sekundären Klemmen ausgeführt sind, um sich entlang der Länge der länglichen Klemmvorrichtungen (1–4) proportional zum Strecken der Tafel entlang einer zu den Klemmvorrichtungen parallelen Achse zu bewegen.
Verfahren zum Strecken und Vakuumformen einer rechteckigen Tafel aus Plastikmaterial nach Anspruch 11, bei dem die sekundären Klemmen von der Bewegung der Tafel entlang der Länge der länglichen Klemmvorrichtung (1–4) bewegt werden.
Verfahren zum Strecken und Vakuumformen einer rechteckigen Tafel aus Plastikmaterial nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei das Verfahren den Schritt des Erwärmens der Tafel aus Plastikmaterial hat.
Verfahren zum Strecken und Vakuumformen einer rechteckigen Tafel aus Plastikmaterial nach Anspruch 8 oder Anspruch 13, bei dem Zonen des Plastikmaterials selektiv gekühlt werden.