DE3832284A1 - Verfahren und vorrichtung zum thermischen umsteuern eines koerpers zwischen einer aufheiz- und einer abkuehlphase fuer das behandeln von kunststoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zum Durch­ führen des Verfahrens.

Die Erfindung findet Anwendung beim Formen von Kunststof­ fen, die nach dem vollständigen Ausfüllen einer Form, z. B. beim Spritzgießen, oder beim teilweisen Ausfüllen der Form, z. B. beim Blasformen von Hohlkörpern, durch die gekühlte Form abgekühlt werden sollen, zuvor - oder auch im Verlauf des Abkühlvorganges - vorübergehend min­ destens an der Oberfläche aufgeheizt werden sollen.

So erhalten extrusionsgeblasene Gegenstände eine brillante Oberfläche, wenn der Kunststoff nach dem Ausfüllen der Form an seiner Oberfläche kurzzeitig so weit erhitzt wird, daß eine dünne Schicht schmilzt, bevor sie anschließend wieder an den zum Ausformen benötigten Abkühlvorgang teilnimmt.

Bei Verwendung kristallisationsfähiger Polymere kann andererseits durch eine vorübergehende Erhitzung eine Thermofixierung des Polymers erreicht werden. Der blas­ geformte Hohlkörper hat eine relativ dünne Wandstärke. Nach dem Stand der Technik wird das gesamte, unter Blas­ druck an der Formwand anliegende Material durchgeheizt - und zwar solange, bis die Kristallisation stattgefunden hat. Anschließend wird das Material zum Erreichen der Formstabilität abgekühlt.

Beim Spritzgießen kann es hilfsreich sein, an Engpaß­ stellen in der Form während des Füllvorganges zu heizen.

Vor dem Ausformen müssen diese Stellen aber wieder abge­ kühlt werden.

Es sind zahlreiche Vorrichtungen bekannt, das Aufheizen und anschließende Abkühlen von blasgeformten Gegenständen in möglichst kurzer Zeit und mit möglichst geringem Energieverlust durchzuführen. Demnach ist es bekannt, die Blasformen mit Kanälen zu versehen, die abwechselnd von einer heißen und gekühlten Flüssigkeit durchströmt werden oder auch getrennte Heiz- und Kühlkanäle vorzu­ sehen. Auch ist es bekannt, auf der Innenseite der Blas­ formen dünnwandige Schalen vorzusehen, da diese bei geöffneter Form schneller gekühlt bzw. erwärmt werden können.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe liegt darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum schnellen Um­ steuern der Temperatur an der mit dem Kunststoff in Berührung kommenden Oberfläche anzugeben, wobei hohe Energieverluste und lange Umsteuerzeiten vermieden wer­ den.

Die genannte Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merk­ male des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der Erfindungsgedanke wird darin gesehen, daß es aus­ reicht, auf einem Körper eine extrem dünne Schicht elektrisch aufheizbar zu gestalten. Der Energiefluß in der Aufheizphase bestimmt dabei die in der anliegen­ den Kunststoffschicht erreichbare Temperatur. Die Ab­ kühlphase entgegen wird im wesentlichen von der Tempe­ ratur des die aufheizbare Schicht tragenden Körpers bestimmt. Dieser Formkörper kann ständig oder inter­ mittierend gekühlt sein.

Zwischen der beheizbaren Schicht und dem sie tragenden Körper kann sich eine Isolierschicht befinden, die eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften hat: Zur elektrischen Isolierung weist sie einen relativ hohen elektrischen Widerstand auf; sie weist ferner eine Wärmeleitfähigkeit zum Erzielen des gewünschten Tempe­ raturgefälles zwischen der Heizschicht und dem Körper auf; schließlich weist sie eine mechanisch gute Haft­ vermittlung zwischen der Heizschicht und dem Körper auf. Die Isolierschicht kann auch aus mehreren Schichten be­ stehen, von denen dann jede einzelne eine dominierende Eigenschaft hat.

Bei der erfindungsgemäßen Heizschicht handelt es sich um ein Flächenheizelement auf einer isolierenden Grund­ fläche. Die Erwärmung der Heizschicht erfolgt erfindungs­ gemäß durch einen direkten Stromdurchfluß, dessen Strom­ stärke in Abhängigkeit von der mittleren Temperatur der Heizschicht geregelt wird. Die Heizschicht hat in Durch­ flußrichtung einen im wesentlichen konstanten Querschnitt, sofern für die gesamte Schicht eine gleichmäßige Auf­ heizung gewünscht wird. Die Heizschicht soll sehr dünn sein, damit sie schnell aufgeheizt werden kann und nur wenig Wärmeenergie speichert. Die Heizschicht soll darüber hinaus so beschaffen sein, daß sie die Wärme sehr schnell an den anliegenden Kunststoff abgeben kann.

Beispielsweise wird für die Heizschicht eine sehr dünne Kupferschicht von 1/100 bis 1/10 mm vorgeschlagen. Hieraus geht schon hervor, daß der für die Erwärmung verantwortliche Querschnitt der Heizschicht gegenüber dem Querschnitt für die Zuführung des Stroms sehr klein gewählt werden muß.

Erfindungsgemäß ist auch eine Regelung vorgesehen, die es gestattet, daß eine vorgegebene, relativ hohe Tempe­ ratur der Heizschicht eingehalten wird. Diese Regelung erfordert eine sehr hohe Stellgeschwindigkeit und bedarf einer schnellen Meßwertbildung. Je dünner die Schicht gewählt wird, desto schneller reagiert die Schicht auf eine Stromstärkenänderung mit einer Temperaturänderung.

Erfindungsgemäß wird an die Heizschicht in der Aufheiz­ phase eine gepulste Spannung angelegt. Vorzugsweise wird der Heizstrom durch Modulation der Impulsbreite der Spannung verändert. Es kann aber auch die Amplitude der Spannung verändert werden, um den Stromfluß zu verändern.

In den Pausen zwischen den Heizstromimpulsen wird der temperaturabhängige Widerstand der Heizschicht gemessen, indem Meßstromimpulse an die Heizschicht angelegt werden. Die Amplitude dieser Maßstromimpulse ist ein Maß für die in der Heizschicht herrschenden Temperatur. Nach Vergleich mit einem einstellbaren Sollwert ergibt sich eine Stellgröße zur Verstellung der Impulsbreite der angelegten Heizspannung. Für diese Regelung lassen sich bekannte Bausteine der Regelungstechnik verwenden. Es kann somit die Heizspannung abhängig von der Temperatur der Heizschicht sehr schnell und genau nachgeführt bzw. nachgeregelt werden, indem entsprechend dem Meßstrom das Tastverhältnis für den nächstfolgenden oder die nächstfolgende Gruppe von Heizstromimpulsen geändert wird. Es läßt sich somit in einer sehr dünnen Heiz­ schicht eine hohe Temperatur einregeln. Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß der Wärmeinhalt der sehr dünnen Heizschicht sehr klein ist. Besteht die Heizschicht darüber hinaus aus Kupfer, so hat sie eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit und vermag daher die gespeicherte Wärme sehr rasch an den Kunststoff abzugeben. Sobald der Heizstrom abgeschaltet wird, ist die Aufheizphase beendet und es beginnt die Abkühlphase, in der das Kältepotential des die Heizschicht tragenden Körpers die Temperatur an der Oberfläche bestimmt. Geringe Wanddicken der Isolier­ schicht sowie der Heizschicht beschleunigen den Abkühl­ vorgang. Es gibt also mehrere Gründe, die Heizschicht so dünn wie möglich zu halten.

Die geforderten dünnen Heiz- bzw. Isolierschichten las­ sen sich vorzugsweise galvanisch oder durch Plasma­ beschichtung im Vakuum auftragen.

Vorzugsweise läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren in einer Blasform zum Behandeln blasgeformter Hohlkörper verwenden. Die Erfindung soll jedoch hierauf nicht be­ schränkt sein. Vielmehr betrifft die Erfindung ein elektrisches Flächenheizelement, das ein sehr rasches Aufheizen und Abkühlen eines die Schicht kontaktierenden Werkstoffes erlaubt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Blasform,

Fig. 2 einen Teilschnitt in vergrößertem Maßstab der Fig. 1 und

Fig. 3 eine Darstellung der Meßstrom- und Heiz­ stromimpulse.

In Fig. 1 ist ein Blasformkörper 1 dargestellt, der Kanäle 2 für eine Kühlflüssigkeit aufweist. Auf der Innenwandung des Blasformkörpers 1 ist eine elektrisch isolierende Schicht 3 aufgebracht, auf der eine elektrisch leitende Heizschicht 4 angeordnet ist. Die Heizschicht 4 ist über elektrische Zuleitungen 5 an eine nicht darge­ stellte Stromquelle angeschlossen. Die aus Fig. 2 er­ sichtlichen Querschnitte für die Heizschicht 4 und die Zuleitungen 5 sind nicht maßstäblich. In Fig. 2 ist die beim Blasformen an die Heizschicht zur Anlage ge­ kommene Kunststoffschicht 6 beispielsweise PET, das vor dem Abkühlen kurzzeitig auf die Thermofixierungstempe­ ratur aufgeheizt werden soll. Hierzu dient die Heiz­ schicht 4.

In Fig. 3 ist mit 7 die Taktzeit des Heizregelkreises bezeichnet. Zu Beginn jeder Taktzeit 7 wird ein Meß­ stromimpuls 9 durch die Heizschicht 4 geschickt. Ab­ hängig von der in der Heizschicht erreichten Temperatur stellt sich ein Widerstand der Heizschicht ein, der die Amplitude des Meßstromimpulses 9 bestimmt. Die Amplitude wird gemessen und in einem nicht dargestellten konven­ tionellen Regelkreis mit einem eingestellten Sollwert für die Temperatur verglichen. Die hieraus gebildete Stellgröße bestimmt die Dauer des Heizstromimpulses 10, der nach der Zeit 8, in der die Temperatur gemessen wird, an die Heizschicht 4 angelegt wird. Mit 11 ist die Band­ breite des Heizstromimpulses 10 bestimmt.

Während der Heizphase stellt sich ein Temperaturgefälle von der Oberfläche der Heizschicht 4 über die Isolier­ schicht 3 und über den Blasformkörper 1 bis zu den Kühl­ kanälen 2 ein. Dieses Gefälle ist relativ steil, weil zur Aufheizung der dünnen Flaschenwandung 6, beispiels­ weise bei einer Wanddicke von 0,3 bis 0,4 mm, wenige Sekunden Aufheizphase ausreichen. Nach der Aufheizphase folgt die Pause, die ein Vielfaches der Heizzeit be­ trägt.

Claims (11)

1. Verfahren zum Aufheizen und Abkühlen eines einen Körper kontaktierenden Werkstoffes, insbesondere eines Kunststoffes, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur in der Aufheizphase im wesentlichen von einer elektrisch aufheizbaren, sehr dünnen Schicht auf dem Körper und die Temperatur in der Abkühlphase im wesentlichen von der Temperatur des Körpers bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Energiefluß durch die auf­ heizbare Schicht in der Aufheizphase temperaturabhängig geregelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die elektrisch leitfähige, sehr dünne Heizschicht durch Heizstromimpulse erhitzt wird, der temperaturabhängige Widerstand der Heizschicht durch einen in Pausen zwischen den Heizstromimpulsen die Schicht durchfließenden Meßstrom bestimmt wird und die Dauer und/oder Amplitude der Heizstromimpulse abhängig von den Meßstromimpulsen geregelt wird.

4. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beheizbare Schicht (4) auf einem gekühlten Formkörper angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen dem Formkörper und der Schicht eine Isolierschicht (3) vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Isolierschicht einen relativ hohen elektrischen Widerstand aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Isolierschicht eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolier­ schicht eine mechanische Haftung zwischen der Heizschicht und dem Formkörper vermittelt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolier­ schicht aus mehreren Schichten besteht.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beheiz­ bare Schicht aus Kupfer besteht.

11. Anwendung des Verfahrens und der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 10 auf eine Blasform für Hohlkörper aus Kunststoff.