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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vorformling zur Herstellung von Behältern mit einer oberen Öffnung, insbesondere von Flaschen, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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Bei der Herstellung von Plastikbehältern, insbesondere Flaschen, werden so genannte Vorformlinge verwendet. Diese werden beispielsweise im Spritzgussverfahren hergestellt und anschließend in einem Blasformverfahren in die gewünschte Form gebracht. Die Größe und Form der hergestellten Behälter, insbesondere Flaschen, ergibt sich aufgrund der verwendeten Blasform. Die Vorformlinge weisen bereits das Gewinde der Flasche und meist auch einen unterhalb des Gewindes angeordneten Halsring, sowie einen darunter angeordneten Umformbereich auf. Der Innendurchmesser der Vorformlinge muss, wegen der Herstellung im Spritzgießverfahren mit einem massiven Werkzeugkern, kleiner oder gleich dem Innendurchmesser des Mundstückes sein. Üblicherweise finden kommerziell zwei unterschiedliche Gewindedurchmesser Verwendung, wobei Vorformlinge mit einem größeren Gewindedurchmesser im Allgemeinen für die Herstellung größerer Behälter bzw. Behälter mit einem höheren Innenvolumen verwendet werden.
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Bei dem Blasformverfahren werden die Vorformlinge erwärmt und anschließend durch Einblasen von Druckluft in die gewünschte Form gebracht. Hierbei werden die Moleküle des Ausgangsmaterials sowohl längs- als auch querverstreckt. Dabei ist zu beachten, dass bei der Herstellung von Flaschen mit einem im Verhältnis zum Außendurchmesser relativ kleinen Gewindequerschnitt eine hohe Querverstreckung des Materials erfolgt. Dies wirkt sich negativ auf die Eigenschaften des Produktes aus. Die Wände der Flasche werden beispielsweise entsprechend dünn und / oder instabil. Das Prozessfenster wird kleiner, d. h. die unterschiedlichen Einstellungen der Machine und / oder der Produktionsbedingungen und / oder der Umgebungsbedingungen dürfen im laufenden Betrieb nur geringfügig von den optimalen Einstellungen bzw. Bedingungen abweichen, da ansonsten fehlerhafte Produkte entstehen. Kleine Prozessfenster gefährden insbesondere die Prozesssicherheit.
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Für die Betrachtung der Querverstreckung muss vom inneren Durchmesser des Vorformlings und dem maximalen Durchmesser der zu produzierenden Flasche ausgegangen werden, um den maximalen Reckgrad zu bestimmen. Insbesondere sollte das Querreckverhältnis den Faktor 5 nicht überschreiten. Verwendet man einen herkömmlichen Vorformling mit einem PCO28 Gewinde um daraus beispielsweise eine Flasche mit einem Fassungsvolumen von circa 3 Liter herzustellen, ergibt sich beispielsweise ein ungünstiger Querverstreckungsfaktor von 6.
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Die Form herkömmlich verwendeter Vorformlinge mit einem oben offenen Mündungsbereich und einem Umformbereich, der einen mittleren hohlzylindrischen Bereich und einen Bodenbereich umfasst, ist beispielsweise in
US 2010140835 A1 dargestellt. Eine weitere Form eines einfach umzuformenden Vorformlings ist in
CN 101863328 A dargestellt. Dieser Vorformling weist eine parabelförmige Unterseite auf, was zu verbesserten Blasformeigenschaften führt.
JP 2010125676 A zeigt einen Vorformling zur Herstellung von Behältern mit einer relativ großen oberen Öffnung und einem verhältnismäßig geringen Körperdurchmesser.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Vorformling herzustellen, bei dem die Querverstreckung des Kunststoffmaterials beim Umformprozess reduziert ist, so dass der Vorformling für die Herstellung von Behältern geeignet ist, bei denen der Außendurchmesser im Verhältnis zum Gewindeinnendurchmesser relativ groß ist.
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Die obige Aufgabe wird durch einen Vorformling gelöst, der die Merkmale in dem Patentanspruch 1 umfasst. Der Anspruch wird weiterhin durch ein Verfahren gelöst, das die Merkmale in dem Patentanspruch 13 umfasst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden durch die jeweiligen Unteransprüche beschrieben.
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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft einen Vorformling aus thermoplastischem Kunststoff zur Herstellung eines Behälters durch ein thermisches Umformungsverfahren, insbesondere durch ein Blasformverfahren o.ä. Ein solcher Vorformling weist einen oberen Mündungsbereich auf, der als Gewinde ausgebildet ist und dessen Form beim Umformprozess unverändert bleibt. Insbesondere kommt es bei der Umformung auch nicht zu einer Veränderung des Gewindeinnendurchmesser.
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An diesen Mündungsbereich schließt sich ein so genannter Umformbereich bestehend aus einem mittleren Umformbereich und einem geschlossenem Bodenbereich an. Beim Blasformverfahren wird der Umformbereich des Vorformlings erhitzt und das Material anschließend mit Hilfe einer geeigneten Blasform in die gewünschte Form gebracht, bspw. geblasen. Der mittlere Umformbereich ist herkömmlicherweise hohlzylindrisch oder kegelstumpfförmig ausgebildet. Der maximale Durchmesser des Umformbereichs ist im Allgemeinen kleiner oder gleich dem Gewindeinnendurchmesser. Der Durchmesser des Umformbereichs ergibt sich bei Betrachtung der Außenmantelfläche des Vorformlings in einem Querschnitt orthogonal zur Längsachse des Vorformlings.
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Erfindungsgemäß ist der Umformbereich als Mantel ausgebildet. Dieser ist zumindest abschnittsweise wellenförmig um die Längsachse des Vorformlings geführt. Insbesondere ist der mittlere Bereich zwischen Mündungs- und Bodenbereich wellenförmig um die Längsachse des Vorformlings geführt.
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Der Mantel des Vorformlings wird aus einer äußeren Außenmantelfläche und einer inneren Innenmantelfläche gebildet. Die Wandstärke des Vorformlings an einer bestimmten Stelle definiert sich durch den jeweiligen Abstand zwischen der Außenmantelfläche und der Innenmantelfläche.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Abstand zweier auf der Außenmantelfläche einander gegenüberliegender Punkte in jedem Querschnitt orthogonal zur Längsachse des Vorformlings kleiner oder gleich dem Gewindeinnendurchmesser des Vorformlings. Betrachtet man also den Umriss des Mantels des Vorformlings in einem Querschnitt orthogonal zur Längsachse des Vorformlings und denkt sich um die jeweils äußersten Punkte des Umrisses des geschnittenen Mantels einen Kreis, so ergibt sich, dass der Durchmesser dieses virtuellen Kreises kleiner oder gleich dem Gewindeinnendurchmesser des Vorformlings im Mündungsbereich ist. Der erfindungsgemäße Vorformling nimmt somit in etwa dasselbe Raumgesamtvolumen ein wie ein herkömmlicher Vorformling.
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Im Gegensatz zum Standard-Vorformling ist jedoch die Mantelfläche des erfindungsgemäßen Vorformlings deutlich vergrößert. Somit ist für den Umformprozess mehr Ausgangsmaterial vorhanden, wodurch bei der Umformung eines erfindungsgemäßen Vorformlings eine geringere Verstreckung des Materials notwendig ist. Insbesondere ist dadurch der Querverstreckungsfaktor deutlich reduziert.
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Soll vergleichsweise aus einem Standard-Vorformling und einem erfindungsgemäßen Vorformling die gleiche Flasche hergestellt werden, so muss das Material des erfindungsgemäßen Vorformlings weniger stark querverstreckt werden, was sich positiv auf die Produkteigenschaften auswirkt, insbesondere vergrößert sich hierbei das Prozessfenster. Somit kann ein erfindungsgemäßer Vorformling beispielsweise verwendet werden, um Behälter herzustellen, deren Außendurchmesser das fünffache des Gewindeinnendurchmessers deutlich übersteigt. Der Gewindeinnendurchmesser des Behälters wird durch den Gewindeinnendurchmesser des Vorformlings vorgegeben (wegen der Herstellung im Spritzgießprozess mit starrem Kern ist dies der maximale Innendurchmesser des Vorformlings), da dieser Bereich beim Umformprozess nicht verändert wird. Somit können stabile Behälter mit einem Außendurchmesser produziert werden, der bis zu zehnmal dem Gewindeinnendurchmesser des Vorformlings bzw. des Behälters entspricht.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind in einem Querschnitt orthogonal zur Längsachse des Vorformlings mindestens drei Wellen angeordnet. D. h. die Ausführungsform zeigt drei nach außen gerichtete Wellenberge und drei nach innen bzw. zur Längsachse des Vorformlings hin gerichtete Wellentäler. Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind in einem Querschnitt orthogonal zur Längsachse des Vorformlings bis zu zwölf oder mehr Wellen angeordnet.
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Vorzugsweise bildet der Verlauf der Innenmantelfläche den Verlauf der Außenmantelfläche zumindest weitgehend nach, d. h. sowohl die Außenmantelfläche als auch die Innenmantelfläche des Vorformlings sind wellenförmig ausgebildet. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Wandstärke des Vorformlings zumindest im Umformungsbereich überall gleich. Alternativ kann der Vorformling zumindest im Umformungsbereich abschnittsweise unterschiedliche Wandstärken aufweisen. Dies kann vorteilhaft sein, um den Vorformling vor dem Umformprozess optimal erwärmen zu können.
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Beispielsweise kann der Vorformling im Bereich der auf der Außenmantelfläche und der Innenmantelfläche ausgebildeten Wellenberge eine erhöhte Wandstärke aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann der Vorformling im Bereich der auf der Außenmantelfläche und oder der Innenmantelfläche ausgebildeten Wellentäler verdickt ausgebildet sein. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Bereich zwischen den Wellenbergen und Wellentälern eine erhöhte Wandstärke auf. Insbesondere werden die verdickten Bereiche bzw. Bereich mit erhöhter Wandstärke so gewählt, dass die Bereiche, die beim Aufblasen des Vorformlings zu dem Behälter oder Hohlkörper einer größeren Streckung unterworfen werden, eine höhere Wandstärke aufweisen als die Bereiche kleinerer Verformung. Dadurch ist es möglich, die erfindungsgemäßen Vorformlinge zu verwenden, um Behälter mit einer gleichmäßigen Wandstärkenverteilung um den gesamten Umfang herum herzustellen. Alternativ weist der Bereich zwischen den Wellenbergen und Wellentälern eine geringere Wandstärke auf. Dies kann insbesondere vorteilhaft in Bezug auf das Aufheitzen des Vorformlings sein.
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Die unterschiedlichen Wandstärken können auch dazu dienen, den herzustellenden Behältern eine bestimmte Struktur zu verleihen, wobei beispielsweise beim Umformen eine innere oder äußere zusätzliche Verstärkungsstruktur ausgebildet wird. Alternativ können die unterschiedlichen Wandstärken auch so gewählt werden, dass beim Umformprozess automatisch eine gewünschte Strukturierung der Oberfläche entsteht. Dies kann beispielsweise aus optischen Gründen gewünscht sein.
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Die erfindungsgemäßen Vorformlinge werden vorzugsweise im Spritzgussverfahren oder auch im Extrusionsblasverfahren beispielsweise aus PET (Polyethylenterephtalat, PEN (Polyethylennaphtalat), PTN (Polytrimethylennaphtalat), PP (Polypropylene), HDPE (Polyethylene, HighDensityPolyEthylene), PS (Polystyrol), PLA (Poly-LacticAcid), (PC, Polycarbonate) oder einem anderen geeigneten thermoplastischen Kunststoff hergestellt.
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Bei der Herstellung eines Behälters aus einem erfindungsgemäßen Vorformling kann vorgesehen sein, dass in einem ersten Prozessschritt die dem Innenraum des Vorformlings zugewandten Wellentäler nach außen gedrückt werden. Dabei entsteht ein so genannter Vor-Behälter, wobei die Größe der Mantelfläche des Vor-Behälters in etwa der Größe der Mantelfläche des Vorformlings entspricht. Der anhand eines virtuellen Kreises theoretisch ermittelte maximale Durchmesser des Vor-Behälters ist vergrößert, insbesondere ist dieser Durchmesser größer als der Gewindeinnendurchmesser. In einem zweiten Prozessschritt – dem eigentlichen Blasformschritt – wird dann der Vor-Behälter entsprechend der verwendeten Blasform, in der gewünschten Form hergestellt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der entstandene Vor-Behälter einen in etwa kreisförmigen Umfang aufweisen, dessen Durchmesser größer ist als der Gewindeinnendurchmesser.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass beide Prozessschritte direkt in einer Verarbeitungsmaschine, insbesondere direkt in einem Blasformmodul, durchgeführt werden können.
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Figurenbeschreibung
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Im Folgenden sollen Ausführungsbeispiele die Erfindung und ihre Vorteile anhand der beigefügten Figuren näher erläutern. Die Größenverhältnisse der einzelnen Elemente zueinander in den Figuren entsprechen nicht immer den realen Größenverhältnissen, da einige Formen vereinfacht und andere Formen zur besseren Veranschaulichung vergrößert im Verhältnis zu anderen Elementen dargestellt sind.
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1 zeigt einen Vertikalschnitt entlang der Längsachse einer ersten Ausführungsform eines Vorformlings gemäß dem bekannten Stand der Technik.
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2 zeigt einen Vertikalschnitt entlang der Längsachse einer zweiten Ausführungsform eines Vorformlings gemäß dem bekannten Stand der Technik.
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3 zeigt einen Horizontalschnitt quer zur Längsachse eines Vorformlings gemäß dem bekannten Stand der Technik der 1 oder 2.
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4 zeigt schematisch die Herstellung eines Behälters gemäß dem bekannten Stand der Technik.
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5 zeigt einen Horizontalschnitt quer zur Längsachse einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Vorformlings.
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6 zeigt einen Horizontalschnitt quer zur Längsachse einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Vorformlings.
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7 stellt schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines Behälters mit einem erfindungsgemäßen Vorformling dar.
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Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersicht halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind. Die dargestellten Ausführungsformen stellen lediglich Beispiele dar, wie die erfindungsgemäße Vorrichtung oder das erfindungsgemäße Verfahren ausgestaltet sein können und stellen keine abschließende Begrenzung dar.
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1 und 2 zeigen jeweils einen Vertikalschnitt entlang der Längsachse X durch verschiedene Ausführungsformen eines Vorformlings 1a, 1b gemäß dem bekannten Stand der Technik. Die beiden Vorformlinge 1a, 1b zeigen jeweils einen nach oben offenen Mündungsbereich 2. Dieser ist als Gewinde 3 ausgebildet und weist bereits die endgültige Form auf. D. h. bei der Umformung des Vorformlings 1a, 1b in Behälter wird dieser Bereich nicht umgeformt, sondern bildet im fertigen Behälter bzw. der fertigen Flasche (nicht dargestellt) eine mittels Schraubverschluss verschließbare Öffnung. Unterhalb des Mündungsbereiches 2 ist der Umformbereich 5 angeordnet, der insbesondere aus einem weitgehend hohlzylindrischen mittleren Bereich 7 und einem unten abgeschlossenen Bodenbereich 6 gebildet wird.
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3 zeigt einen Horizontalschnitt quer zur Längsachse eines Vorformlings 1a, 1b gemäß dem bekannten Stand der Technik der 1 oder 2. Insbesondere ist ein Querschnitt durch den Mantel 10 des Vorformlings 1a, 1b in der in den 1 und 2 eingezeichneten Schnittebene H im mittleren Umformbereich 7 dargestellt.
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Der Mantel 10 umfasst eine äußere Außenmantelfläche 12 und eine innere Innenmantelfläche 14. Der Abstand zwischen den beiden Mantelflächen 12, 14 wird durch die Dicke des Materials bestimmt und als Wandstärke W bezeichnet. Der Durchmesser dU des kreisförmigen Außenmantelquerschnitts ist beim Vorformling 1a gemäß 1 geringer als der Außendurchmesser dM im Mündungsbereich 2 des Vorformlings 1a. Bei einem Vorformling 1b gemäß 2 entspricht der Durchmesser dU in etwa dem Gewindeinnendurchmesser dM im Mündungsbereich 2.
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4 zeigt schematisch die Herstellung von Behältern 9. Vorformlinge 1b werden über eine Heizstrecke 32 einer Blasformvorrichtung 30 zugeführt. Diese ist mit entsprechenden Blasformen (nicht dargestellt) bestückt, so dass aus den Vorformlingen 1b Behälter 9 der gewünschten Größe und Form hergestellt werden können. Da der Durchmesser dB der Behälter im umgeformten Bereich deutlich größer ist als der Gewindeinnendurchmesser dM bzw. der Innendurchmesser dU des Vorformlings 1b, unterzieht sich das Material beim Umformprozess einer hohen Querverstreckung.
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5 zeigt einen Horizontalschnitt durch eine erste Ausführungsform 20 und 6 zeigt einen Horizontalschnitt durch eine zweite Ausführungsform 22 eines erfindungsgemäßen Vorformlings.
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Der Mantel 10 des Umformbereichs ist zumindest abschnittsweise wellenförmig um die Längsachse des Vorformlings 20, 22 geführt. Dies erkennt man deutlich in den dargestellten Horizontalschnitten (vgl. auch 1 bis 3). Diese stellen den Umriss des Mantels 10 des Vorformlings 20, 22 in einem Querschnitt orthogonal zur Längsachse X des Vorformlings (vgl. auch 1 bis 3) dar. Legt man jeweils um die äußersten Punkte des Umrisses des geschnittenen Mantels 10 einen imaginären Kreis Av, so ergibt sich, dass der Durchmesser dv dieses imaginären Außenkreises Av kleiner oder gleich dem Gewindeinnendurchmesser dM des Vorformlings 20, 22 im Mündungsbereich 2 (nicht dargestellt, vgl. 1 und 2) ist. Der erfindungsgemäße Vorformling 20, 22 nimmt somit dasselbe Raumgesamtvolumen wie ein herkömmlicher Vorformling 1a, 1b ein.
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Bei einem Vorformling 20 gemäß 5 sind in dem Querschnitt des Umformbereichs orthogonal zur Längsachse des Vorformlings vier Wellen angeordnet. D. h. die Ausführungsform zeigt vier nach außen gerichtete Wellenberge B und vier nach innen bzw. zur Längsachse des Vorformlings hin gerichtete Wellentäler T. Gemäß der in 6 dargestellten Ausführungsform 22 sind in dem Querschnitt acht Wellen, d. h. acht Wellenberge B und acht Wellentäler T, angeordnet.
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Die Wellenstruktur des Mantels 10 bewirkt, dass die Größe der Außen- und Innenmantelflächen eines erfindungsgemäßen Vorformlings 20, 22 gegenüber der Größe der Außen- und Innenmantelflächen eines herkömmlichen Vorformlings 20, 22 deutlich vergrößert sind.
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Beim Vergleich zwischen einem herkömmlichen Vorformling 1a, 1b und einem erfindungsgemäßer Vorformling 20, 22 ergibt sich somit Folgendes: Werden die unterschiedlichen Vorformlinge 1a, 1b, 20, 22 verwendet, um jeweils einen gleichen Behälter zu produzieren, muss das Material eines herkömmlichen Vorformlings 1a, 1b höher querverstreckt werden als das Material eines erfindungsgemäßen Vorformlings, da aufgrund der wellenförmigen Ausbildung des Mantels 10 der Vorformling 20, 22 das Ausgangsmaterial bereits in einer größeren Fläche bereitstellt.
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Die Ausschnittsvergrößerung des Mantels 10 in 6 zeigt weiterhin beispielhaft, dass der Mantel 10 unterschiedliche Wandstärken W aufweisen kann. Beispielsweise unterscheidet sich die Wandstärke WB im Bereich eines Wellenberges B von der Wandstärke WT im Bereich eines Wellentales T und / oder von der Wandstärke WZ im Übergangsbereich zwischen einem Wellenberg B und einem Wellental T. Die hier dargestellte Ausführungsform, bei der WB > WT > WZ ist nur beispielhaft zu verstehen.
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Andere Verteilungen der unterschiedlichen Wandstärken WB, WT, WZ sollen von der Erfindung ebenfalls umfasst sein.
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7 stellt schematisch eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines Behälters 9 aus einem erfindungsgemäßen Vorformling 20, 22 dar. In einem ersten Prozessschritt werden beispielsweise die dem Innenraum des Vorformlings 20, 22 zugewandten Wellentäler (vgl. 5 und 6) nach außen gedrückt werden. Dabei entsteht ein so genannter Vor-Behälter 8, wobei die Größe der Mantelfläche des Vor-Behälters 8 in etwa der Größe der Mantelfläche des Vorformlings 20, 22 entspricht. Der anhand eines virtuellen Kreises theoretisch ermittelte maximale Durchmesser dZ des Vor-Behälters 8 ist deutlich größer als der Durchmesser dU des Vorformlings 20, 22 im Umformbereich 5, insbesondere ist dieser Durchmesser dZ größer als der Gewindeinnendurchmesser dM im Mündungsbereich 2. In einem zweiten Prozessschritt – dem eigentlichen Blasformschritt – wird dann der Vor-Behälter 8 entsprechend der verwendeten Blasform, in die gewünschte Behälterform 9 gebracht.
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Die beiden Prozessschritte können beispielsweise beide in der jeweiligen Blasform der Blasformmaschine stattfinden, so dass insbesondere keine gesonderte Vorrichtung zur Durchführung des ersten Prozessschrittes notwendig ist.
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Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben. Es ist jedoch für einen Fachmann vorstellbar, dass Abwandlungen oder Änderungen der Erfindung gemacht werden können, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1a, 1b
- Vorformling
- 2
- Mündungsbereich
- 3
- Gewinde
- 5
- Umformbereich
- 6
- Bodenbereich
- 7
- mittlerer Bereich
- 8
- Vor-Behälter
- 9
- Behälter
- 10
- Mantel
- 12
- Außenmantelfläche
- 14
- Innenmantelfläche
- 20
- Vorformling
- 22
- Vorformling
- 30
- Blasformmodul
- 32
- Heizstrecke
- Av
- virtueller Außenkreis
- B
- Wellenberg
- dB
- Außendurchmesser des Behälters
- dM
- Gewindeinnendurchmesser
- dU
- Außendurchmesser im Umformbereich
- dv
- Durchmesser des imaginären Außenkreises
- dZ
- Durchmesser des Vor-Behälters
- H
- Schnittebene
- T
- Wellental
- W
- Wandstärke
- WB
- Wandstärke im Bereich eines Wellenberges
- WT
- Wandstärke im Bereich eines Wellentales
- WZ
- Wandstärke im Übergangsbereich zwischen Wellenberg und Wellental
- X
- Längsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2010140835 A1 [0005]
- CN 101863328 A [0005]
- JP 2010125676 A [0005]
