Verfahren und Vorrichtung zum Formen, Füllen und Verschliessen von Flaschen
Die Erfindung bezieht sich auf das Formen und Füllen von Flaschen oder anderen Behältern, die gegebenenfalls einen engen Hals aufweisen können und aus einem Kunststoff, insbesondere einem thermoplastischen Material hergestellt werden, wobei die Flaschen oder sonstigen Behälter in einem einzigen Arbeitsgang geformt, gefüllt und verschlossen werden, während sie sich jeweils in der gleichen Form befinden, wobei diese Arbeitsgänge womöglich in schneller Folge mit Hilfe einer einzigen Maschine durchgeführt werden, die Formen zweckmässig kontinuierlich zu und ebenfalls kontinuierlich aus der Maschine abgeführt werden.
Dieses Verfahren bietet zahlreiche Vorteile im Vergleich zu einem Verfahren, bei dem die Flaschen mit Hilfe einer ersten Maschine geformt werden, um dann zu einer zweiten und möglicherweise zu einer dritten Maschine gebracht zu werden, mittels deren die Flaschen gefüllt und verschlossen werden. Bei dem Verfahren, gemäss der Erfindung, kommt man nicht nur mit einer kleinen Zahl von Maschinen, kürzeren Transportwegen und einem kleineren Arbeitsraum aus, sondern es ist insbesondere zu bemerken, dass es keine Schwierigkeiten macht, dafür zu sorgen, dass die Flaschen vor dem Füllen oder während des Füllens nicht mit Bakterien oder auf andere Weise verunreinigt werden, wie es z. B. möglich ist, wenn das Innere der Flaschen mit der Umgebungsluft in Berührung kommt. Somit ermöglicht es die Erfindung, den bezüglich der Sterilität gestellten Anforderungen zu entsprechen.
Ein Verfahren der vorstehend geschilderten Art ist bereits bekannt. Gemäss diesem bekannten Verfahren wird ein erhitzter Kunststoff mit Hilfe eines Strangpresskopfes in Richtung nach unten in Form eines Rohrs ausgepresst. Wenn dieses Rohr die für einen Behälter benötigte Länge erreicht hat, wird es von einer mehrteiligen Form umschlossen, wobei das untere Ende dieser Form das Rohr verschliesst, während sich das obere Ende an das Rohr anlegt, um den Hals der Flasche zu formen. Mit Hilfe einer sich durch den Strangpresskopf erstreckenden Leitung wird Druckluft dem Inneren des in der feststehen, den Form befindlichen Rohrabschnitts zugeführt, um aus dem Rohrabschnitt den Körper des Behälters dadurch zu formen, dass das Material des Rohrs an die Innenflächen der Form angelegt wird.
Die Flüssigkeit, mit der der Behälter dann gefüllt werden soll, wird hierauf über eine in den Strangpresskopf eingebaute Leitung zugeführt; hierauf öffnet sich die Form, so dass sich der Behälter nach unten bewegen kann, um aus der Form entnommen zu werden, wobei der Hals des Behälters mit dem mit Hilfe des Strangpresskopfes ausgepressten neuen Rohrabschnitt verbunden bleibt, bis dieser neue Rohrabschnitt die für den nächsten Behälter benötigte Länge erreicht hat, woraufhin das beschriebene Arbeitsspiel wiederholt wird. Schliesslich wird der Hals des Behälters verschlossen, und der Behälter wird von dem neuen Rohrabschnitt abgetrennt.
Bei diesem bekannten Verfahren arbeitet somit ein Strangpresskopf mit einer einzigen Form zusammen; hieraus ergibt sich eine Beschränkung der Leistungsfähigkeit der Maschine, denn das Strangpressen des Rohrs kann nur intermittierend durchgeführt werden.
Gemäss der Erfindung wird das Rohr nunmehr kontinuierlich ausgepresst, jedoch nicht notwendigerweise mit einer unveränderlichen konstanten Geschwindigkeit, und gleichzeitig bewegen sich mehrere Formen zusammen mit dem stranggepressten Rohr in einer solchen Weise, dass während des Formens und/oder Füllens eines Behälters in einer der Formen der Rohrabschnitt zum Herstellen des nächsten Behälters ausgepresst wird, und der Halsabschnitt des Behälters dadurch geformt wird, dass das Rohr luftdicht zwischen dem oberen Ende der Form und einem Tragorgan abgeschlossen wird, das die Leitung umschliesst, über welche die Druckluft oder ein anderes unter Druck stehendes Gas zugeführt wird.
Dieses Tragorgan ist in dem Strangpresskopf beweglich gelagert und bewegt sich zusammen mit dem Hals des Behälters, während das Druckgas zugeführt wird, doch wird das Tragorgan in seine Ausgangsstellung zurückge zogen, nachdem die : Zufuhr des Druckgases beendet wor- den ist, und bevor der Hals des Behälters verschlossen wird. Das Vorhandensein eines Überdrucks in dem Rohrabschnitt in der Nähe des Strangpresskopfes wird hierbei vermieden, so dass der neue Rohrabschnitt nicht vorzeitig aufgeblasen wird, bevor er in eine der Formen eingeschlossen worden ist.
Vorzugsweise wird dafür gesorgt, dass das Tragorgan mit dem Kunststoffrohr nur dort in Berührung kommt, wo der Hals ausgebildet werden soll; und zu diesem Zweck erhält das Tragorgan einen Durchmesser, der kleiner ist als der Durchmesser des ausgepressten Rohrs; ferner besteht das Trag- oder Stützorgan vorzugsweise aus einem Material, das nicht dazu neigt, an dem Kunststoff festzuhaften.
Da sich bei dem erfindungsgemässen Verfahren stets zwei oder mehr Behälter in verschiedenen Stadien ihrer Herstellung befinden, ergibt sich eine höhere Leistungsfähigkeit, d. h. je Zeiteinheit kann eine grössere Zahl von Behältern hergestellt werden. Die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung wird ferner durch die Kühlwirkung günstig beeinflusst, welche die Flüssigkeit auf einen neu geformten Behälter ausübt, denn im Hinblick auf diese Kühlwirkung kann man die Zeitspanne erheblich verkürzen, während welcher der neue Behälter in der Form verbleiben muss; müsste ein leerer Behälter nur von aussen her abgekühlt werden, würde es erforderlich sein, ihn während einer erheblich längeren Zeit in der Form zu belassen.
Weiterhin bietet die Herstellung dünnwandiger, nur zum einmaligen Gebrauch bestimmter Behälter und das nachfolgende Füllen des Behälters in der Form einen erheblichen Vorteil im Vergleich zu einem Verfahren, gemäss welchem leicht verformbare Flaschen in einem besonderen Arbeitsgang hergestellt werden, um erst danach zu einer anderen Vorrichtung gebracht und gefüllt zu werden.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schrmatisch im Längsschnitt die wesentlichen Teile einer Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemässen Verfahrens.
Fig. 2 und 3 veranschaulichen zwei Zwischenstadien der Herstellung von Behältern.
Fig. 4 bis 6 und Fig. 7 bis 9 veranschaulichen verschiedene Herstellungsstadien bei Verfahren, bei denen ein Strangpresskopf von etwas abgeänderter Konstruktion benutzt wird.
In Fig. 1 erkennt man den mit 1 bezeichneten Strangpresskopf, der eine ringförmige Austrittsöffnung besitzt. Mit Hilfe bekannter Mittel z. B. einer Förderschnecke, wird der heisse Kunststoff im plastischen Zustand aus dieser Öffnung in Form eines Rohrs bzw. eines sogenannten Külbels ausgepresst. Längs der Achse des Strangpresskopfes erstreckt sich eine Rohrleitung 3, über die eine Flüssigkeit von einer Abgabevorrichtung oder einem Behälter 13 abgegeben werden kann, und die gegenüber dem Strangpresskopf ortsfest angeordnet ist. Diese Rohrleitung ist von einer damit konzentrisch angeordneten doppelwandigen Luftzuführungsleitung 4 umgt-b en, die gegenüber dem Strangpresskopf in der Längsrichtung bewegbar ist.
Die innere Wand 4' der Leitung 4 umschliesst die Flüssigkeitszuführungsleitung 3 und bildet somit eine Fortsetzung der Leitung 3, so dass die Flüssigkeit einem fertigen Behälter zugeführt werden kann. Der am unteren Ende offene ringförmige Raum zwischen der inneren Wand 4' und der äusseren Wand 4", welch letztere sich nur über den oberen Teil der inneren Wand erstreckt, dient zum Zu- und Abführen eines unter Druck stehenden Gases, z. B. von Druckluft Zu diesem Zweck ist dieser Ringraum nahe seinem geschlossenen oberen Ende mit einer Druckluftleitung 5 verbunden.
In dem Strangpresskopf ist ferner ein Kanal 6 vorgesehen, dessen eines Ende in der ringförmigen Strangpressöffnung, jedoch ausserhalb der Leitung 4 mündet, und dessen anderes Ende bei 7 mit einer Leitung verbunden ist, über die ein Gas, z. B. Luft, und gegebenenfalls ein steriles Gas bzw. sterile Luft unter atmosphärischem Druck oder einem geringen Überdruck zugeführt werden kann.
Unterhalb des Strangpresskopfes sind mehrere Formen 8 angeordnet, von denen sich jede aus zwei Teilen zusammensetzt, wobei jede Form geöffnet und geschlossen werden kann. An den Stationen A, D und E ist jede Form geöffnet, und an den Stationen B und C nach Fig. 1 sowie an den Stationen B' und B" nach Fig. 2 und 3 ist die betreffende Form geschlossen, so dass sie die Verlängerung der Mittellinie des Strangpresskopfes konzentrisch umschliesst.
Die Formen 8 bzw. ihre sich ergänzenden Hälften sind durch Gestängeglieder 14 miteinander verbunden, die durch einen hier nicht gezeigten Antriebsmechanismus betätigt werden, der es ermöglicht, die Formen jeweils mit der gleichen Geschwindigkeit nach unten und am Ende ihrer Abwärtsbewegung längs einer anderen Bahn wieder nach oben zu bewegen, woraufhin die Formen erneut eine Abwärtsbewegung ausführen, wie es in Fig. 1 mit Pfeilen angedeutet ist.
Nachstehend wird die Wirkungsweise der Vorrichtung nach Fig. 1 bis 3 beschrieben.
Gemäss Fig. 3 wird ein Rohrabschnitt ausgepresst, dessen Länge nahezu ausreicht, um eine Flasche zu formen. Die Luftzuführungsleitung 4 befindet sich in der Nähe ihrer untersten Stellung und ist bereit, sich nach oben in die in Fig. 1 bei B gezeigte Stellung zu bewegen, bei der sich das untere Ende der Leitung 4 nach unten nur über eine relativ kurze Strecke über den Strangpresskopf hinaus erstreckt. In diesem Stadium herrscht innerhalb der Luftzuführungsleitung 4 kein Überdruck.
Die beiden Formhälften bewegen sich jetzt in Richtung der Pfeile 15 in Fig. 1 auf das ausgepresste Rohr bzw. den Külbel zu, wobei die Unterkanten 9 der Formhälften das Rohr verschliessen, während sich die oberen Ränder der Formhälften an das Rohr anlegen, um den Hals der Flasche zu formen. Hierbei bewirken diese Ränder, dass das Rohr luftdicht gegen die Aussenwand 4" des unteren Endes der Luftzuführungsleitung 4 gedrückt wird; somit steht das Innere des ausgepressten Rohrs - nur unterhalb dieser Abdichtungsstelle mit der Luftleitung 5 in Verbindung. Auf diese Weise wirkt das untere Ende der Wand 4" der Luftzuführungsleitung als Stütz- und Abdichtungsorgan für den Hals der herzustellenden Flasche.
Die Form bewegt sich zusammen mit der Luftzuführungsleitung 4 nach unten längs des ausgepressten Rohrs, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die im wesentlichen gleich der Strangpressgeschwindigkeit ist, wobei gleichzeitg Druckluft über die Leitung 4 zugeführt wird, um den Külbel innerhalb der Form aufzublasen und so die Flasche zu formen. Sobald der Külbel die gewünschte Gestalt angenommen hat, wird die Leitung 4 von dem Überdruck entlastet. Hierauf wird eine abgemessene Flüssigkeitsmenge der fertigen Flasche über das Füllrohr 3 mit der Verlängerung 4' zugeführt, wie es in Fig. 2 bei B' dargestellt ist.
Das Füllrohr 4' erstreckt sich vorzugsweise nach unten über die äussere Wand 4" der Luftzuführungsleitung in einem solchen Ausmass hinaus, dass sich das untere Ende des Füllrohres schon am Beginn des Füllvorganges an einem Punkt befindet, der dem Boden der fertigen Flasche möglichst nahe benachbart ist. Auf diese Weise wird das Verspritzen und Aufschäumen der Flüssigkeit weitgehend vermieden.
Der Külbel bzw. die Flasche wird nicht nur dadurch abgekühlt, dass die Flasche mit der Form in Berührung steht, sondern eine sogar noch stärkere Abkühlung wird durch die in die Flasche eingeleitete Flüssigkeit bewirkt.
Sobald sich der Flaschenhals genügend abgekühlt hat und daher erstarrt ist, kann die Luftzuführungsleitung 4, die während des Füllvorganges nur dazu diente, den Flaschenhals abzustützen und die Luft aus der Flasche abzuführen, zurückgezogen und wieder in ihre Ausgangsstellung gebracht werden. Die gefüllte Flasche wird dann gemäss Fig. 1 in der bei C angedeuteten Weise durch Zusammendrücken des Halses verschlossen; dies kann mit Hilfe einer Schliessvorrichtung geschehen, die entweder auf der Form angeordnet ist, in der die Flasche geformt wird, oder die einen Bestandteil der nächsten Form bildet, oder die mit keiner der Formen in Verbindung steht.
Gleichzeitig mit diesem Schliessvorgang oder danach kann die Verbindung zur nächsten Flasche und daher auch zu dem Külbel in der in Fig. 1 bei D gezeigten Weise durchtrennt werden, woraufhin die Form ge öffnet werden kann, so dass es möglich ist, die fertige Flasche z. B. mit Hilfe eines Förderbandes 12 abzuführen, wie es in Fig. 1 bei E dargestellt ist.
Es ist wichtig, dass das Stützorgan am untern Ende der Luftzuführungsleitung nicht an dem Külbel festhaftet, und dass keine erheblichen Reibungskräfte zwischen diesen Teilen auftreten. Aus diesem Grunde ist der Durchmesser des Stützorgans vorzugsweise kleiner als der Innendurchmesser des Külbels, und die Oberfläche des Stützorgans besteht aus einem Material, auf welchem der geformte Hals der Flasche leicht gleiten kann; wenn die Flaschen aus Polyäthylen oder Polypropylen hergestellt werden, besteht die erwähnte Oberfläche z. B. aus dem unter der gesetzlich geschützten Bezeichnung Teflon erhältlichen Material.
Bei der hier be schriebznen Ausbildungsform ist eine besondere Anordnung vorgesehen, um zu verhindern, dass die äussere Wand 4" der Luftzuführungsleiung 4 mit dem Külbel in Berührung kommt; diese Anordnung umfasst einen Luftkanal und den schon erwähnten Kanal 6, und über diese beiden Kanäle wird während des Strangpressens Luft in den sich erweiternden Raum zwischen der erwähnten Wand und dem Külbel eingeleitet. Es erweist sich nicht als nachteilig, wenn die zugeführte Luft unter einem geringen Überdruck steht, um zu gewährleisten, dass der Külbel in einem ausreichenden Abstand von der Luftzuführungsleitung gehalten wird, vorausgesetzt, dass das Ausmass, in dem der Külbel aufgeblasen wird, den Vorgang des Einschliessens des Külbels in die Form nicht behindert.
Bei der Ausbildungsform nach Fig. 1 bis 3 bildet das Stützorgan einen Teil der Luftzufüh rungsleitung; es sei jedoch bemerkt, dass das Stützorgan auch einen Teil eines gesonderten beweglichen Stützrohrs bilden kann, in welchem eine ortsfeste Luftzuführungsleitung angeordnet ist.
In Fig. 4 bis 6 ist eine weitere Ausbildungsform der Erfindung dargestellt, bei der das Füllrohr nicht durch ein ortsfestes Rohr 3 und ein bewegliches Rohr 4' gebildet wird; vielmehr ist gemäss Fig. 4 ein einteiliges Füllrohr 3' vorgesehen. das seine Lage gegenüber dem Strangpresskopf stets unverändert beibehält. Die Geschwindigkeit, mit der die Flüssigkeit in den Behälter eingeleitet werden kann, kann dann so gewählt werden, dass das untere Ende des Füllrohrs in einem kleinen Abstand unter dem Flüssigkeitsspiegel in dem sich nach unten bewegenden Behälter verbleibt, der gefüllt werden soll, wie es aus Fig. 5 und 6 ersichtlich ist.
Allerdings kann sich das Füllrohr auch aus einem ortsfesten Teil und einem beweglichen Teil zusammensetzen, wobei der bewegliche Teil nicht fest mit der äusseren Wand der Luftzuführungsleitung verbunden ist, sondern gegenüber der Luftzuführungsleitung beweglich ist, so dass man diesem Teil des Füllrohrs diejenige Bewegung erteilen kann, welche für die zweckmässigste gehalten wird. Eine derartige Konstruktion ist in Fig. 7 bis 9 dargestellt. Die Flüssigkeitsleitung 3 setzt sich in Form eines senkrecht bewegbaren Füllrohrs 3" fort, das von einer Luftzuführungsleitung 4 mit nur einer Wand umschlossen ist. Ferner könnte das Füllrohr einen festen Bestandteil der Abgabevorrichtung bilden, wie es in Fig. 4 bis 6 gezeigt ist, und das ganze Aggregat könnte senkrecht bewegbar sein.
In allen diesen Fällen wird die Vorrichtung vorzugsweise so ausgebildet, dass während des Füllvorgangs der Auslass des Füllrohrs mehr oder weniger genau auf gleicher Höhe mit dem Flüssigkeitsspiegel oder unter dem Flüssigkeitsspiegel liegt.
Es sei bemerkt, dass die Bewegungen der verschiedenen Teile d. h. der Formen, des Stützorgans, des Füllrohrs, der Schliesseinrichtung und dergleichen, in der richtigen Weise aufeinander sowie auf die Strangpressgeschwindigkeit abgestimmt werden müssen; zu diesem Zweck sieht man eine geeignete Steuereinrichtung vor.
Gegebenenfalls kann die Geschwindigkeit, mit der sich die Formen zusammen mit dem Stützorgan nach unten bewegen, höher sein als die lineare Geschwindigkeit, mit der das ausgepresste Rohr die Strangpressdüse verlässt, so dass das ausgepresste Rohr gereckt wird, um die Wandstärke des Rohrs zu verringern, wobei gleichzeitig ein Pendeln des Rohrs weitgehend verhindert wird.
Wenn die Flüssigkeit im sterilen Zustand zugeführt wird, und wenn das über die Leitung 4 und gegebenenfalls bei 7 zugeführte Gas ebenfalls sterilisiert ist, bleibt der Inhalt der geformten und gefüllten Flasche vollständig steril, denn wegen seiner hohen Temperatur von etwa 150 bis 2500 C ist das stranggepresste Rohr ebenfalls steril. Diese Sterilität ist dann von grosser Bedeutung, wenn die Flaschen mit Getränken, z. B. Milch, gefüllt werden, oder wenn z. B. ein Serum verpackt werden soll.
Die Flüssigkeiten zum Füllen der Flasche können dünn- oder zähflüssig sein oder sogar die Konsistenz einer Paste haben.
Wenn die Flüssigkeit nicht mit Luft in Berührung kommen darf, oder wenn aus anderen Gründen eine besondere gasförmige Atmosphäre für die Flüssigkeit erwünscht ist, so ergeben sich hieraus keinerlei Schwierigketten, denn anstelle von Luft kann man z. B. Stickstoff, Sauerstoff oder ein anderes Gas über die Leitung 4 und gegebenenfalls auch über die Leitung 7 zuführen.
Damit die Formhälften betätigt werden können, d. h. um die Formen zu öffnen und zu schliessen, und um die Formen in der Richtung der Bewegung des ausgepressten Rohrs zu bewegen, kann man bekannte mechanische Einrichtungen der verschiedensten Art vorsehen.
Gemäss den Zeichnungen sind die Formhälften z. B. auf beiden Seiten durch Gestängeglieder 14 miteinander verbunden, so dass sie eine Kette bilden, die über an treibbare Kettenräder läuft. Um ein einwandfreies Schliessen der Formhälften zu gewährleisten, kann man elastische Führungen vorsehen.
Für die Herstellung von Flaschen, z. B. von Milchflaschen, hat sich Polyäthylen als das am besten geeignete Material erwiesen. Versuche haben gezeigt, dass die Milch ihren Geschmack nicht ändert, wenn sie mit der heissen, nahezu fertigen Flasche in Berührung kommt.
Ferner haben Versuche, bei denen die Milch einige Tage lang bei Raumtemperatur oder in einem gekühlten Raum aufbewahrt wurde, gezeigt, dass die Milch mindestens die gleiche Haltbarkeit besitzt, wie in den üblichen Glasflaschen aufbewahrte Milch. Auch das Hindurchleiten der Milch durch den heissen Strangpresskopf führt nicht zu einer Beeinträchtigung der Qualität der Milch.