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Die
Erfindung betrifft eine Thermoformmaschine zum Formen und/oder Stanzen
von Artikeln aus einer thermoplastischen Kunststofffolie, die ein mindestens
zweiteiliges Werkzeug aufweist, wobei mindestens eines der Werkzeugteile
in eine Öffnungs-
und Schließrichtung
mittels eines Bewegungselements verstellbar ist.
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Eine
Thermoformmaschine der gattungsgemäßen Art ist beispielsweise
aus der
DE 198 48
628 C2 bekannt. Dort werden zwischen den relativ zueinander
beweglichen Teilen eines Werkzeugs Kunststoffartikel (beispielsweise
Margarineschalen, Trinkbecher, Behälterdeckel) aus thermoplastischen Kunststofffolien
und Verbundfolien produziert. Dabei werden in der geschlossenen
Stellung des aus Ober- und Unter-Werkzeug bestehenden Werkzeugs
die Artikel geformt, indem die erwärmte Folie mit Druckluft oder
Vakuum in die Werkzeugkavität
gedrückt wird,
dann gestanzt und anschließend
bei geöffneter Stellung
des Werkzeugs aus diesem heraus und in eine nachgeschaltete Stapel-
und Zählvorrichtung gefördert wird.
Das Oberwerkzeug ist ebenso wie das Unterwerkzeug an je einen höhenbeweglichen
Tisch befestigt, so daß beide
Werkzeugteile verstellbar sind.
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Bei
allen Thermoformmaschinen der gattungsgemäßen Art muss das Werkzeug periodisch geschlossen
und wieder geöffnet
werden, wofür
ein Bewegungselement eingesetzt wird. Dies gilt sowohl dann, wenn
ein reines Formen, d. h. oh ne Ausstanzen oder kombiniertes Formen
und Ausstanzen der Artikel erfolgen soll, als auch dann, wenn in
einer Maschinenstation lediglich ein Ausstanzen des bereits geformten
Artikels aus der Kunststofffolie durchgeführt werden soll.
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Aus
der
DE 36 04 255 A1 ist
es bekannt, das Bewegungselement zum Öffnen und Schließen des Werkzeugs
durch ein Spindelsystem zu realisieren, wobei zumeist eine Kugelrollspindel
zum Einsatz kommt. Die Spindel wird von einem Antriebsmotor angetrieben.
Ein Ende der Spindel ist an einem Kniehebelmechanismus angeordnet,
so dass durch axiale Verschiebung der Spindel ein Bewegen des Kniehebelmechanismus
und damit ein Öffnen
und Schließen
des Werkzeugs erfolgen kann. Das Werkzeugteil, das am Kniehebelmechanismus
angelenkt ist, kann hierdurch in seine benötigten Positionen verfahren
werden. Die Spindeln sind zumeist als Kugelrollspindeln oder Planetenrollspindeln
ausgeführt,
was den Nachteil mit sich bringt, dass die maximale Betriebsdrehzahl
der Spindel begrenzt ist. Das Öffnen und
Schließen
des Werkzeugs ist nur mit einer gewissen maximalen Grenzgeschwindigkeit
möglich, was
wiederum die Taktzahl der Thermoformmaschine und damit den Ausstoß gefertigter
Artikel begrenzt.
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Ein
anderer Nachteil besteht darin, dass sich die Rollenspindelantriebe
wegen der notwendigen zentralen Krafteinleitung in der Mitte des
Werkzeugs bzw. Werkzeugtisches befinden müssen. Dort muss jedoch bei
einigen Typen von Thermoformmaschinen der sog. Vorstrecker angeordnet
werden, der eine mechanische Vorausformung der erwärmten Kunststofffolie
vornimmt. Der Vorstrecker wird besonders für hohe Artikel benötigt. Ist
der Vorstrecker nicht – was
aufwändig
ist – im
Werkzeug integriert, muss er mittig bzw. zentral in der Thermoformmaschine
positioniert werden, so dass hier entsprechender Platz zur Verfügung stehen
muss. Der Vorstrecker muss dabei in der Regel eine von der Bewegung
des Werkzeugtisches unabhängige
Bewegung ausführen
können.
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Eine
andere Ausgestaltung des Bewegungselements für ein Werkzeugteil sieht vor,
dass ein Servomotor über
ein Getriebe mit nachgeschaltetem Kurbeltrieb ein Kniehebelsystem
betätigt,
das die Werkzeugtische ebenfalls in die erforderliche Position bewegt.
Die beiden gleichgerichteten Kniehebelsysteme werden von einem Pleuel
gleichsinnig und simultan bewegt.
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Dieses
Kniehebelsystem hat den Nachteil, dass mit einem einzigen Antrieb
beide gleichgerichteten Kniehebelpaare in eine Richtung senkrecht
zur Öffnungs-
und Schließbewegung
des Werkzeugteils verfahren werden müssen. Dies erzeugt Massenkräfte, die
senkrecht zur Öffnungs-
und Schließbewegung
der Maschine wirken, was ein Kippen der gesamten Form- bzw. Stanzstation
nach sich zieht. Die Führungssäulen der
Werkzeugteile sind nicht in der Lage, diese Kräfte und Verformungen störungsfrei aufzunehmen.
Die negative Folge ist nicht nur ein höherer Verschleiß auf die
Führungssäulen und
Buchsen, sondern auch die Standzeiten der Bandstähle zum Ausschneiden der Artikel
sind erheblich geringer. Beim Arbeiten mit Bandstählen ist
die Parallelität der
beiden Werkzeughälften
von großer
Wichtigkeit, was durch die hohen seitlichen Massenkräfte beeinträchtigt wird.
Daher sind Thermoformmaschinen dieser Art nur mit einer begrenzten
Taktfrequenz betreibbar. Ein weiterer Nachteil dieser Bauform ist,
dass für unterschiedliche Öffnungs-
und Schließhübe ein Umbau
der Maschine erfolgen muss.
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Daher
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Thermoformmaschine
der eingangs genannten Art ohne diese Nachteile zu schaffen, die eine
hohe Taktfrequenz ermöglicht,
ohne störende Seitenkräfte infolge
der Kniehebel-Massenkräfte
arbeitet und die schließlich
hinreichenden Platz für
die Anordnung eines Vorstreckers lässt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass das Bewegungselement für
das mindestens eine bewegliche Werkzeugteil aus zwei zu einer Mittenebene
der Maschine spiegelbildlich angeordneten Kniehebelsystemen besteht,
die jeweils von einem Antriebsmotor über mindestens eine Kurbel
bewegt werden können.
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Durch
die symmetrische bzw. spiegelbildliche Anordnung zweier Kniehebelsysteme
ergibt sich, dass sich Massenkräfte
bei der Bewegung der Systeme, die quer zur Öffnungs- und Schließbewegung des
Werkzeugs wirken, gegenseitig aufheben, was der Maschine einen sehr
ruhigen Lauf verleiht.
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Bevorzugt
ist vorgesehen, dass der Antriebsmotor samt der mindestens einen
Kurbel an der von der Mittenebene abgewandten Seite des Kniehebelsystems
angeordnet ist, so dass sich im Bereich der Mittenebene ein von
Bewegungselementen freier Bereich ergibt. Durch diese Ausgestaltung
wird erreicht, dass die Antriebsmotore – ggf. samt zugehöriger Getriebe – seitlich
an der Thermoformmaschine angeordnet werden und der Mittenbereich
der Maschine völlig
frei von Antriebsmitteln für
die Werkzeugbewegung gehalten werden kann. Hierdurch ist es möglich, mechanische
Vorstrecker im Mittenbereich anzuordnen, wo diese benötigt werden;
für diese
ist genügend
Platz vorhanden.
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Sowohl
ein unteres Werkzeugteil als auch ein oberes Werkzeugteil kann mit
je einem Bewegungselement versehen sein.
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Jedes
Kniehebelsystem kann aus zwei im Abstand zueinander angeordneten
Kniehebeln bestehen, wobei jeder Kniehebel von einer Kurbel bewegt
wird. Hierdurch wird die parallele Führung des Werkzeugteils in
zwei zueinander senkrechten Richtungen quer zur Öffnungs- und Schließrichtung
des Werkzeugs sichergestellt. Es kommen dann also insgesamt vier
Kniehebelpaare zum Einsatz, die eine optimale Führung des Werkzeugteils sicherstellen.
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Der
Antriebsmotor ist bevorzugt zusammen mit einem Getriebe und der
Lagerung für
die mindestens eine Kurbel in oder an einem Gehäuse angeordnet.
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Die
erfindungsgemäße Thermoformmaschine
kann auch nur ein Teil einer Anzahl Stationen sein, die bei der
Herstellung thermogeformter Artikel zum Einsatz kommen. Daher ist
nach einer Ausgestaltung vorgesehen, dass das Bewegungselement zum
kombinierten Formen von Artikeln aus der thermoplastischen Kunststofffolie
und Ausstanzen der Artikel aus der thermoplastischen Kunststofffolie
ausgelegt ist. Alternativ kann aber auch vorgesehen werden, dass das
Bewegungselement zum ausschließlichen
Ausstanzen der aus der thermoplastischen Kunststofffolie geformten
Artikel aus derselben ausgebildet ist. Auch das Einbringen von Löchern in
die Artikel wird mit einer zusätzlichen
Lochstanzstation dieser Art realisiert.
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Um
eine synchrone Bewegung der spiegelbildlich angeordneten Kniehebelsysteme
sicherzustellen, sieht eine Fortbildung vor, dass die Bewegung,
insbesondere der Drehwinkel, der beiden spiegelsymmetrisch angeordneten
Antriebsmotoren gekoppelt ist. Die bewegungsabhängige Koppelung erfolgt dabei
bevorzugt durch elektronische Mittel.
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Als
Antriebsmotoren kommen vor allem Servomotoren oder Drehstrommotoren
zum Einsatz, aber insbesondere auch Torquermotore, die ohne Getriebe
auf den Exzenter wirken.
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Mit
der Erfindung wird erreicht, dass eine hohe Taktzahl der Thermoformmaschine
möglich
ist. Dabei können
bis zu 85 Zyklen pro Minute und mehr erzielt werden.
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Weiterhin
ist das Antriebssystem absolut frei von Querkräften, d. h. Massenkräften, die
quer zur Öffnungs-
und Schließbewegungsrichtung
des Werkzeugs liegen. Seitlich gerichtete Massenkräfte heben sich
im gesamten System auf, so dass die Maschine einen festen Stand
behält.
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Schließlich bleibt
auch der Mittenbereich der Thermoformmaschine frei, so dass hier
problemlos ein Vorstrecker untergebracht werden kann, ohne in Kollisionen
mit dem Bewegungselement zu kommen. Der im Oberwerkzeug, d. h. dort,
wo die Vorstrecker angeordnet sind, benötigte Raum bleibt frei.
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Durch
zwei separate Antriebe bzw. Antriebsmotoren ist es bei gegenläufiger Drehrichtung
möglich,
beide Seiten des Werkzeugteils parallel auf die gleiche Höhe zu verfahren.
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In
der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung dargestellt. Es zeigen:
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1 eine
Thermoformmaschine in der Vorderansicht;
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2 den
unteren Teil der Thermoformmaschine nach 1 in perspektivischer
Ansicht; und
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3 Kurvenverläufe für einige
Systemparameter der Thermoformmaschine, aufgetragen über dem
Drehweg der Kurbel des Bewegungselements.
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In 1 und 2 ist
eine Thermoformmaschine 1 dargestellt, mit der Artikel 2 aus
einer thermoplastischen Kunststofffolie 3 hergestellt werden. Die
Folie 3 wird hierzu erwärmt
und zwischen zwei geöffnete
Werkzeughälften 4, 5 (bzw.
Werkzeugtische), nämlich
zwischen ein Unterwerkzeug 4 und ein Oberwerkzeug 5,
gebracht. Im Ausführungsbeispiel
sind beide Werkzeughälften 4, 5 relativ
zu einem Maschinenständer 15 beweglich
angeordnet, d. h. beide Werkzeugteile 4, 5 bewegen
sich vertikal in eine Öffnungs-
und Schließrichtung
A auf Führungssäulen 16.
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Zur
Bewegung der Werkzeughälften 4, 5 sind Bewegungselemente 6 vorgesehen,
die wie folgt ausgebildet sind:
Spiegelbildlich zur Mittenebene 7 der
Thermoformmaschine 1 sind sowohl zur Bewegung des Unterwerkzeugs 4 als
auch des Oberwerkzeugs 5 je zwei Kniehebelsysteme 8 und 9 vorgesehen.
Jedes Kniehebelsystem 8, 9 besteht – wie aus 2 hervorgeht – aus zwei
Kniehebeln 12 und 13 die hintereinander in Richtung
normal auf die Zeichenebene der 1 angeordnet
sind. Die Kniehebel 12, 13 bestehen im wesentlichen
aus zwei gelenkig miteinander verbundenen Hebeln, die sowohl unten
als auch oben am Maschinenständer 15 bzw.
am Werkzeugteil 4, 5 angelenkt sind. Zur Betätigung der
Kniehebel 12, 13 hat jedes Kniehebelsystem 8, 9 eine
eigene Kurbel 11, die an einem Exzenter 19 angelenkt
ist; die Drehrichtungen sind in 1 durch
Pfeile angegeben. Der Exzenter 19 ist in einem Getriebe 14 gelagert
und wird von einem Antriebsmotor 10 angetrieben. Bei dem
Antriebsmotor 10 handelt es sich bevorzugt um einen Servomotor,
für den
genaue Drehbewegungen vorgegeben werden können.
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Die
Antriebsmotoren 10 werden jeweils so angesteuert, dass
die beiden spiegelbildlich angeordneten Motoren gegensinnig zueinander
drehen. Damit wird erreicht, dass Massenkräfte der Kniehebelsysteme 8, 9 sich
in Richtung quer zur Öffnungs- und
Schließrichtung
A aufheben und somit keine hohe Belastungen auf die Führungssäulen 16 ausgeübt werden.
Das System bestehend aus Antriebsmotor 10, gegebenenfalls
zwischen Antriebsmotor 10 und Exzenter 19 angeordnetem
Getriebe 14, Exzenter 19 und Kurbel 11 bildet
einen Kurbeltrieb, der den Kniehebel 12, 13 betätigt.
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Die
Drehbewegung bzw. das Drehmoment für die Kniehebel 12, 13 kann
entweder über
zwei einzelne Servo- oder Drehstrommotoren mit nachgeschalteten
Getrieben erzeugt werden oder über
jeweils nur ein Getriebe mit zwei Ausgängen und einem mittig am Getriebe
angebauten Antriebsmotor 10. Schließlich ist auch ein Torquemotor
einsetzbar, wodurch auf das Getriebe zwischen Motor 10 und
Exzenter 19 verzichtet werden kann.
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Wie
gesagt, sind die Drehrichtungen der Abtriebswellen bei den Einzelantrieben
gegenläufig.
Die Synchronisation der Drehbewegungen der beiderseits der Mittenebene 7 angeordneten
Antriebsmotoren 10 kann dabei im so genannten „Master-Slave-Betrieb" erfolgen. Dabei
wird über
eine SPS-Maschinensteuerung und den an den Antriebsmotoren 10 befindlichen
Inkremental- oder Absolutwertgebern der jeweils erforderliche Positionsabgleich
beider Motoren 10 vorgenommen, was anhand der zur Verfügung stehenden
elektronischen Mittel als solches vorbekannt ist (auch bekannt unter
dem Begriff „elektronische
Welle").
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In 3 ist
für einige
Systemparameter der Thermoformmaschine der Kurvenverlauf über dem Drehweg
bzw. der Zeit aufgezeigt. Auf den Abszissen verläuft der Drehwinkel des Exzenters 19 des
Kurbeltriebs. Hinzuweisen ist vorliegend auf die Bewegung des unteren
Werkzeugteils 4, bezeichnet als „s-unten" und dargestellt mit der ausgezogenen
Linie.
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Der
Kurbeltrieb ist so ausgelegt, dass für zwei komplette Zyklen die
Drehbewegung beibehalten wird. Dabei ist es wichtig, dass nach der
beendeten Formzeit und dem erneuten Anfahren der Antriebsmotoren 10 zum
Durchstanzen der Kunststofffolie 3 die Antriebe für das Werkzeugteil
nicht erneut anhalten und mit Drehrichtungsänderung wieder zu ihrer Ausgangsposition
zurückfahren.
Bei diesem Konzept erreicht das jeweilige Werkzeugteil im oberen
Totpunkt für
das Unterwerkzeug 4 und im unteren Totpunkt für das Oberwerkzeug 5 seine
Endposition, um mit gleicher Drehrichtung und hoher Drehzahl weiterzufahren.
Nach dem Erreichen der Endlage, d. h. der weitesten entfernten Position
von der Folie 3, wird der Antriebsmotor 10 zwecks
Folientransport ohnehin angehalten. Wenn diese Bewegung abgeschlossen
ist, drehen die Antriebsmotoren 10 ihre Drehrichtung um,
um wiederum die Werkzeugteile 4, 5 auf die Folie 3 zu
zu bewegen. Da die Kurbeltriebe für die stufenlos wählbaren
Hübe der
Werkzeugteile nicht um 360° drehend
betrieben werden, sind die beiden Zyklen (s. mittig eingetragener
Dop pelpfeil in 3), die sich bei einer Drehrichtung
ergeben, in ihrer Zeit unterschiedlich lange, sofern konstante Drehzahlen
in den einzelnen Bewegungsabschnitten vorliegen. Hierdurch würde es zu
unterschiedlich langen Verweilzeiten unter der Heizung für die Folie
kommen, was wiederum keine gleich bleibende Qualität der tiefgezogenen
Artikel nach sich zieht. Daher wird programmtechnisch die Drehzahl
so angeglichen, dass die beiden nachfolgenden Drehbereiche in der gleichen
Zeit ablaufen.
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Die
erläuterte
Thermoformmaschine hat mindestens eine Station und maximal drei
Stationen, wobei jeweils zwei bewegliche Tische vorgesehen sind, die
die jeweiligen Werkzeughälften
aufnehmen, wobei diese je nach Verformungsrichtung der Artikel den entsprechenden
Werkzeugtischhub stufenlos fahren müssen. Der Verfahrweg der Werkzeugteile
kann ohne Umbaumaßnahmen
stufenlos eingestellt werden.
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Im
Mittenbereich der vorgeschlagenen Thermoformmaschine verbleibt ein
freier Bereich B (s. 1), in dem problemlos der mechanische
Vorstrecker bzw. Vorstreckerantrieb 20 im Oberwerkzeug 5 angeordnet
werden kann.
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Während bei
vorbekannten Maschinen häufig
eine maximale Taktzahl von nur 40 bis 70 Takte pro Minute erreichbar
sind, sind mit dem vorgeschlagenen Konzept problemlos 85 Zyklen
und mehr möglich.
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- 1
- Thermoformmaschine
- 2
- Artikel
- 3
- thermoplastische
Kunststofffolie
- 4,
5
- Werkzeug
- 4
- erste
Werkzeughälfte
(Unterwerkzeug)
- 5
- zweite
Werkzeughälfte
(Oberwerkzeug)
- 6
- Bewegungselement
- 7
- Mittenebene
- 8
- Kniehebelsystem
- 9
- Kniehebelsystem
- 10
- Antriebsmotor
- 11
- Kurbel
- 12
- Kniehebel
- 13
- Kniehebel
- 14
- Gehäuse
- 15
- Maschinenständer
- 16
- Führungssäule
- 19
- Exzenter
- 20
- Vorstreckerantrieb
- A
- Öffnungs-
und Schließrichtung
- B
- freier
Bereich