DE3826429A1 - Verfahren zur herstellung von waermeaktivierbaren gegenstaenden mit formgedaechtnis aus thermoplastischem kunststoff und nach dem verfahren hergestellte waermeaktivierbare gegenstaende - Google Patents

Verfahren zur herstellung von waermeaktivierbaren gegenstaenden mit formgedaechtnis aus thermoplastischem kunststoff und nach dem verfahren hergestellte waermeaktivierbare gegenstaende

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von wärme­ schrumpfbaren Gegenständen aus thermoplastischem Kunststoff, denen durch Einbringen von Molekülorientierungen und Molekül­ strukturen ein Formgedächtnis eingeprägt wird.
Aus der europäischen Patentanmeldung 02 41 776 ist ein Verfah­ ren zur Herstellung eines thermoplastischen Kunststoffteils mit Formgedächtnis bekannt, bei dem das Formgedächtnis durch ein Preßreckverfahren eingeprägt wird. Durch dieses Verfahren wer­ den in einen Vorformling in formstabilem Zustand unter Druckein­ wirkung Molekülorientierungen eingebracht, die bei einer be­ stimmten Temperatur fixiert werden. Bei späterer Wärmezufuhr verformt sich dieses zwangsweise verformte Teil und versucht seine ursprüngliche Form wieder zu erlangen.
Bei einem solchen wie auch bei den hergebrachten Verfahren zum Herstellen von Gegenständen mit Formgedächtnis mußten bisher alle Formänderungen beim Einprägen des Formgedächtnisses fest­ gelegt werden. Eine nachträgliche Ergänzung ist dabei nicht mög­ lich. Weiterhin ist es bisher schwierig, besondere Feinheiten bezüglich der Verformungen, insbesondere bei kompliziert ge­ formten Gegenständen, ins Formgedächtnis mit einzubeziehen.
So besteht für vorliegende Erfindung die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung von wärmeaktivierbaren Gegenständen zu schaffen, mit dem auch nach dem Einprägen des Formgedächtnisses eine wei­ tere Modifikation möglich ist. Die Aufgabe gemäß der Erfindung wird nun dadurch gelöst, daß die Gegenstände nach der Einprä­ gung des Formgedächtnisses zumindest in Teilbereichen eine wei­ tere Formveränderung erfahren, durch die das Formgedächtnis be­ einflußbar ist.
Schließlich ergibt sich die Aufgabe, wärmeaktivierbare Gegen­ stände nach dem Verfahren gemäß der Erfindung herzustellen.
Die Erfindung bietet nun besondere Vorteile darin, daß die thermoplastischen Gegenstände, zum Beispiel aus Polyethylen, Polypropylen, Polyamid und andere, mit ihren bereits zum Bei­ spiel durch Reckverfahren eingeprägten Molekülorientierungen und Molekülstrukturen nachträglich so bearbeitet werden, daß die Gestaltänderung bei späterer Wärmezufuhr zusätzlich ge­ zielt beeinflußt wird. Dadurch lassen sich nun wärmeaktivier­ bare Gegenstände herstellen, die nach dem späteren Erwärmen im Endzustand von der ursprünglichen Form des Vorproduktes abweichen. Außerdem lassen sich auch die ursprünglich einge­ brachten Wirkrichtungen der Molekülorientierungen beeinflus­ sen. Dadurch können nun auch schwierige Formgestaltungen bzw. Rückverformungen durchgeführt werden, die bisher nach den an sich bekannten Verfahren nicht oder zumindest nur sehr mangel­ haft erreicht werden konnten.
Bei den bisher üblichen Umformungen der thermoplastischen Ge­ genstände, die zum Beispiel nach dem Preßreckverfahren im festen Zustand der Gegenstände bei entsprechend eingestellten Umformungstemperaturen durchgeführt werden, ergeben sich unter Umständen nicht homogene, über den ganzen Querschnitt gleich­ mäßig verteilte Molekülorientierungen und Molekülstrukturen. In der Regel liegen bei derartigen Verfahren durch den Kontakt mit dem formgebenden Werkzeug die größten Molekülorientierun­ gen mit dem hieraus resultierenden größten Gestaltänderungsver­ mögen in den Randschichten der verformten Gegenstände. Die Mole­ külorientierungen nehmen nämlich im allgemeinen zur Wandmitte des verformten Gegenstandes hin ab. So führt beispielsweise eine Halbierung oder Teilung eines solchen Gegenstandes zu zwei oder mehreren Teilen mit je einem wärmeaktivierbaren Gestaltän­ derungsvermögen. Je nach Umformverfahren und Verfahrensführung liegt ein mehr oder weniger deutlich ausgeprägter Orientierungs­ gradient vor.
So werden nun die bestehenden Molekülorientierungen und Molekül­ strukturen gemäß der Erfindung nach dem Einprägen des Formge­ dächtnisses durch mechanische oder gegebenenfalls chemische Be­ arbeitungen dieser Gegenstände durch Abtragen zum Beispiel der äußeren Randschichten oder durch Einbringen von Kerben, Nuten, Bohrungen oder dergleichen gebietsweise gezielt mit der Ent­ fernung des Materials verändert. Damit ändert sich schließlich auch die Rückformung bei späterer Erwärmung im Einsatzfall als wärmeaktivierbares Element. Bei der Erwärmung kommt es dann auch bei zunächst vorliegenden monoaxialen Molekülorientierungen und Molekülstrukturen nicht mehr zu einer linearen Gestaltungsände­ rung, wie es beim normal bisher üblichen Verfahren war, son­ dern zu einer mehrdimensionalen Gestaltungsänderung, wie spä­ ter anhand der Ausführungsbeispiele deutlicher erklärt wird. Da­ bei nimmt der erfindungsgemäß hergestellte Gegenstand nicht mehr die Form seines ursprünglichen Vorproduktes an, sondern weicht je nach Zusatzbearbeitung mehr oder weniger davon ab.
Diese Verfahrensmethode führt somit zu Gegenständen, zumin­ dest in deren nachträglich behandelten Bereichen, mit wärme­ aktivierbarem Gestaltänderungsvermögen, das bei Erwärmung in beliebigen, jedoch durch die Zusatzbearbeitung bestimmbaren, dreidimensionalen Richtungen und Ebenen erfolgt.
Diese Verfahren gemäß der Erfindung erlauben nun produkt- und verfahrenstechnisch günstige Geometrien für die Vorprodukte, aus denen wärmeaktivierbare Gegenstände mit anwendungstechnisch komplizierten Gestaltänderungen hergestellt werden können. So ist zum Beispiel möglich, daß aus einem einfach herzustellenden, spritzgegossenen oder extrudierten ungereckten Serienprodukt durch individuelle mechanische oder chemische Bearbeitung ge­ mäß der Erfindung speziell verformbare, wärmeaktivierbare Gegen­ stände hergestellt werden können.
Weiterhin ist es nach der Erfindung möglich, durch gezielte Kombination verschiedener Bearbeitungsverfahren Gegenstände so herzustellen, daß sie neben einer komplexen Gestaltänderung zusätzlich weitere Funktionen, wie zum Beispiel Abbiegungen, Klammerbewegungen oder dergleichen erfüllen können, wie anhand von Beispielen noch näher erläutert wird.
Für das mechanische Bearbeiten der bereits mit Formgedächtnis versehenen Gegenstände kommt beispielsweise Fräsen, Bohren, Drehen, Schleifen oder ähnliches infrage, während für eine chemische Bearbeitung zum Beispiel Ätz- und Löseverfahren an­ gewendet werden können. So lassen sich solche zusätzlichen Effekte beispielsweise durch Einbringen von Bohrungen, Kerben, Nuten und dergleichen erzielen. Bei derartigen Verfahren kön­ nen die Gegenstände im fixierten Zustand auch erwärmt oder abgekühlt werden, entweder vor, gleichzeitig oder nach dem zusätzlichen Bearbeiten. In besonderen Fällen ist es auch mög­ lich, die zusätzliche Bearbeitung der Gegenstände oder Berei­ che derselben in den Ur- und Reckvorgang mit einzubeziehen, so daß die Herstellung innerhalb eines Werkzeuges, das dann meh­ rere Funktionen erfüllen muß, erfolgen kann. Bei Gegenständen mit Formgedächtnis, die zum Beispiel nach dem Mehrkomponenten­ spritzgußverfahren oder einer Co- bzw. Mehrfachextrusion her­ gestellt sind, können in den nachträglichen Bearbeitungsphasen entweder nur eine oder auch mehrere Komponenten behandelt wer­ den, so daß sich auch hier zusätzliche Variationsmöglichkeiten ergeben.
Als Beispiel sei ein in Coextrusion hergestellter Gegenstand aus den Materialien Polyethylen mit einem Kristallitschmelz­ punkt von 130°C-135°C und Polypropylen mit einem Kristal­ litschmelzpunkt von 163°C-165°C genannt. So bieten sich hier bei Polyethylen Umformtemperaturen im Bereich von 50°C-100°C und bei Polypropylen von 100°C-130°C an.
Bei Mehrkomponenten-Spritzgußteilen ist auch partielles Erwär­ men, Tempern etc. möglich.
Schließlich können multifunktionale, wärmeaktivierbare Gestalt­ änderungen durch mehrmalige Anwendung von gleichen oder auch verschiedenen Bearbeitungsschritten erhalten werden.
Die Erfindung wird nun anhand von drei Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen wärmeaktivierbaren, jedoch noch nicht bearbeiteten Gegenstand.
Fig. 2 zeigt einen bereits nachträglich bearbeiteten Gegen­ stand.
Fig. 3 zeigt den Gegenstand nach Fig. 2 nach erfolgter Er­ wärmung.
Fig. 4 zeigt einen zweiten bearbeiteten Gegenstand.
Fig. 5 zeigt den Gegenstand nach Fig. 4 nach der Erwärmung.
Fig. 6 zeigt einen spritzgegossenen Schulterstab vor der Bear­ beitung.
Fig. 7 zeigt den Schulterstab nach Fig. 6 nach dem Bearbei­ ten.
Fig. 8 zeigt den Schulterstab in einem ersten Einsatzfall.
Fig. 9 zeigt den Schulterstab in einem zweiten Einsatzfall.
Fig. 1 zeigt eine aus thermoplatischem Kunststoff im Spritz­ guß-Verfahren oder durch Extrusion hergestellte Platte 1. Sie wurde einem Reckvorgang unterzogen und dabei uniaxial gereckt, so daß zunächst das dadurch eingeprägte Formgedächtnis eine Formveränderung beim Erwärmen nur in einer Richtung ergibt. Nun kann die Platte 1 in einem ersten Bearbeitungsvorgang zum Beispiel in Streifen 2 mit verschiedenen Breiten a, b und c zerschnitten werden, so daß nun mehrere wärmeaktiverbare Strei­ fen 2 vorliegen, denen ein einziger Herstellungsvorgang zu­ grunde liegt. Damit ist gegenüber der bisherigen Einzelferti­ gung ein wesentlicher wirtschaftlicher Vorteil gegeben.
Diese an sich schon wärmeaktivierbaren und nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten Gegenstände in Form von Streifen 2 können nun in einem weiteren Bearbeitungsschritt weiter modifiziert werden und zwar so, daß sich eine weitere Formänderung anschließen läßt, die durch das ursprüngliche Formgedächtnis nicht erreicht werden könnte. So wird nun ein solcher Streifen 2, zum Beispiel hier mit einer Breite a, in der Mitte quer zur Längsausdehnung mit einer Kerbe 3 versehen, so daß sich zu beiden Seiten der Kerbe 3 Schenkel 2 a und 2 b ergeben, die für sich noch das Formgedächtnis voll besitzen. Da jedoch die Molekülorientierung und Molekülstruktur durch die Kerbe 3 auf einer Oberflächenseite unterbrochen wurde, ist die Schrumpfwirkung nur mehr auf der unbearbeiteten Seite voll ausgeprägt und dies führt nun zu einer Abknickung bei nachfol­ gender Erwärmung. Auf diese Weise läßt sich beispielsweise ei­ ne Klammer 4 herstellen, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 zeigt einen Streifen 2, wie er aus der Platte nach Fig. 1 gewonnen werden kann. In diesem Fall wurden jedoch zwei Kerben 3 im Abstand 2 d vonein­ ander eingebracht. Dies hat zur Folge, daß die beiden außen liegenden Schenkelteile 2 c und 2 e beim Erwärmen wiederum ab­ knicken und eine Klammer 5 bilden, während der Mittelschen­ kel 2 d in seiner Länge schrumpft. Die Klammeröffnung wird dadurch verengt und übt auf den umfaßten Gegenstand eine Klam­ merwirkung aus.
In Fig. 6 ist als weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Er­ findung ein spritzgegossener und preßgereckter Schulterstab 6 dargestellt. Dieser Schulterstab 6 ist verschieden stark, wo­ bei zwischen den dickeren Randbereichen 7, die zum Befesti­ gen vorgesehen sind, ein schwächerer Mittelbereich 8 ausge­ bildet ist. Dieser Schulterstab 6 ist nun mechanisch bearbeitet und erhält in den Randbereichen 7 je eine Bohrung, in welche später Bolzen eingefügt werden. Bei anschließender Wärmeein­ wirkung verändert sich der Durchmesser der Bohrungen so, daß die eingesetzten Bolzen dabei eingeklemmt werden. Ähnlich ver­ hält es sich mit dem Langloch 10 im Mittelbereich 8. Außerdem sind in den beiden Übergangsbereichen zwischen dem Mittelbe­ reich 8 und den Randbereichen 7 durch mechanische Bearbeitung zwei Kerben 11 quer zur Längsausdehnung eingebracht. Diese Kerben 11 bewirken nun wie bei den ersten Ausführungsbeispielen eine Abknickung oder zumindest eine Abbiegung.
Das endgültige Resultat dieses Schulterstabes 6 ist aus Fig. 8 zu ersehen, wo es zwischen zwei Sattelstücken 12 eingespannt und mit den Bolzen 13 befestigt ist. Im Langloch 10 ist ein weiterer Bolzen 14 eingesetzt, der beispielsweise zur Aufhängung dient.
Die Fig. 9 zeigt eine weitere Modifikation in der Anwendung des Schulterstabes 6. Hier ist er zwischen zwei Platten 14 und 15 eingesetzt, wobei die Platte 14 eine Aussparung 16 für den Schul­ terstab 6 aufweist. Weiterhin ist in dieser Platte 14 zusätzlich im Bereich des Bolzens 13 eine Aussparung 17 vorgesehen. Wenn nun der Schulterstab 6 einer Erwärmung ausgesetzt wird, verdickt er sich infolge seines eingeprägten Formgedächtnisses, so daß der Randbereich 7 aus der Aussparung 17 infolge der Zunahme seiner Wandstärke hervortritt und eine sichere Passung ergibt.
Dies ist nur eine geringe Auswahl von Ausführungsbeispielen und soll andeuten, welche Vielfalt von Verformungsmöglichkeiten bei wärmeaktivierbaren Gegenständen zustande gebracht werden kön­ nen, wenn das Verfahren gemäß der Erfindung bezüglich einer ge­ zielten Nachbearbeitung von gereckten Gegenständen angewendet wird.

Claims (20)

1. Verfahren zur Herstellung von wärmeaktivierbaren Gegenstän­ den aus thermoplastischem Kunststoff, denen durch Einbringung von Molekülorientierungen und Molekülstrukturen ein Formgedächt­ nis eingeprägt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenstände nach der Einprägung des Formgedächtnisses zumindest in Teilbereichen eine weitere Formveränderung erfah­ ren, durch die das Formgedächtnis beeinflußbar ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Formveränderung der Gegenstände durch eine mechanische Bearbeitung, insbesondere durch Fräsen, Drehen, Bohren, Schlei­ fen oder dergleichen, erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Formveränderung der Gegenstände durch eine chemische Bearbeitung, insbesondere durch Ätzen, Ablösen oder derglei­ chen erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Formveränderung insbesondere in den Randschichten der Gegenstände vorgenommen wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Formveränderung der Gegenstände durch Einbringen von Bohrungen, Kerben, Nuten und dergleichen erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch Abtrennungen von den wärmeaktivierbaren Gegenständen mehrere wärmeaktivierbare Gegenstände geschaffen werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeaktivierbaren Gegenstände vor der Formveränderung im fixierten Zustand gezielt erwärmt oder gekühlt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeaktivierbaren Gegenstände während der Formverände­ rung im fixierten Zustand gezielt erwärmt oder gekühlt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeaktivierbaren Gegenstände nach der Formveränderung im fixierten Zustand gezielt erwärmt oder gekühlt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt der Formveränderung im Verfahrens­ schritt zur Einprägung des Formgedächtnisses integriert wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei wärmeaktivierbaren Gegenständen aus mehreren Kompo­ nenten, insbesondere bei in Mehrkomponentenspritzguß oder in Coextrusion hergestellten und mit Formgedächtnis versehenen Gegenständen, alle Komponenten eine weitere Formveränderung erfahren.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei wärmeaktivierbaren Gegenständen aus mehreren Komponenten, insbesondere bei in Mehrkomponentenspritzgruß oder in Coextrusion hergestellten und mit Formgedächtnis versehenen Gegenständen, nur einzelne Komponenten eine weitere Formveränderung erfahren.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Formveränderungen mehrfach, insbesondere in Kombina­ tion von verschiedenen Bearbeitungsverfahren, durchgeführt werden.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Einprägen des Formgedächtnisses durch ein an sich bekanntes Recken der Gegenstände bei einer dem Material ent­ sprechenden Recktemperatur erfolgt, beispielsweise 50°C-150°C für Polyoximethylen oder 50°C-120°C für Polyethylen.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Einprägen des Formgedächtnisses durch ein an sich be­ kanntes Preßrecken erfolgt.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeaktivierbaren Gegenstände aus beliebigen thermo­ plastischen Kunststoffen, insbesondere aus Polyethylen, Poly­ propylen, Polyamid oder ähnlichem gefertigt werden.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß von einer mit Formgedächtnis versehenen thermoplastischen Platte (1) einzelne Streifen (2) abgetrennt werden und daß die Streifen (2) jeweils mit mindestens einer quer zur Längsrich­ tung verlaufenden Kerbung (3) versehen werden.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein langgestreckter, mit Formgedächtnis versehener Gegen­ stand (6) mit verschiedenen Löchern (9, 10) und quer zur Längs­ richtung verlaufenden Kerbungen (11) versehen wird.
19. Wärmeaktivierbarer, nach dem Verfahren des Anspruchs 17 hergestellter Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus gerecktem thermoplastischem Material bestehender, vorzugsweise von einer Platte (1) abgetrennter Streifen (2), mindestens eine quer zur Längsausdehnung verlaufende Kerbung (3) aufweist und dessen Formgedächtnis so ausgebildet ist, daß sich bei Erwärmung eine U-förmige Klammer bildet.
20. Wärmeaktivierbarer, nach Anspruch 18 hergestellter Gegen­ stand, dadurch gekennzeichnet, daß er als langgestreckter Gegenstand (6) mit eingeprägtem Formgedächtnis ausgebildet ist, daß Löcher (9, 10) und Kerbun­ gen (11) angeordnet sind, wobei das Formgedächtnis so ausge­ bildet ist, daß bei Erwärmung eine Verdickung des Querschnittes eine Verengung der Löcher (9, 10) sowie eine Abbiegung zu einer U-Form erfolgt.
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