Verfahren zum Blasformen von Vorformlingen sowie Blasformanlage

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Blasformen von Vorformlingen aus Kunststoff zu Behältern in einer Blasformanlage mit zumindest einer Blasform und einer der Blasform zugeordneten Verformungseinrichtung, wobei ein Vorformling zumindest abschnittsweise in der Blasform angeordnet und anschließend von der Verformungseinrichtung zur plastischen Verformung mit einem Verformungsdruck beaufschlagt wird.

Das Verfahren eignet sich insbesondere für die Getränkeindustrie, wobei dann die Vorformlinge zu Getränkebehältern geformt werden. Bei den Getränkebehältern handelt es sich insbesondere um Kunststoffflaschen z. B. aus Polyethylenterephthalat (PET).

Ein derartiges Verfahren ist grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. So weisen üblicherweise abfüllende Betriebe in der Getränkeindustrie eine vorgeschaltete Blasformanlage auf, in der die Vorformlinge durch plastische Verformung zu Behältern ausgebildet werden. Die Vorformlinge werden hierzu in der Blasform angeordnet, wobei die Blasform üblicherweise aus mehreren Blasformteilen besteht, welche zusammengelegt eine Innenkontur bilden, welche der Außenform des herauszubildenden Behälters entspricht.

Zur plastischen Verformung werden die Vorformlinge über die Verformungseinrichtung mit einem Verformungsdruck beaufschlagt. Es versteht sich hierbei, dass dieser Verformungsdruck in den Innenraum des Vorformlings eingebracht wird, sodass im Zuge der plastischen Verformung eine Aufweitung bzw. eine Ausdehnung des Vorformlings und insbesondere des Innenraums des Vorformlings erfolgt.

Üblicherweise wird der Verformungsdruck in Form eines statischen Druckes erzeugt. Hierzu wird mittels eines Druckluftkompressors Druckluft in den Innenraum des Behälters eingebracht. Dieser Innendruck kann bis zu 40 bar betragen, sodass entsprechend große und leistungsstarke Hochdruckkompressoren erforderlich sind, um diesen Verformungsdruck einerseits zu erzeugen und andererseits über einen gewissen Zeitraum aufrechterhalten zu können.

Derartige Hochdruckkompressoren weisen aber nicht nur einen großen Bauraum auf. Vielmehr ist auch ein hoher Energiebedarf erforderlich, um die zuvor erwähnten Leistungsdaten abrufen zu können.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches sich durch eine erhöhte Wirtschaftlichkeit auszeichnet.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1. Demnach ist vorgesehen, dass der Verformungsdruck in Form von zumindest einer Stoßwelle erzeugt wird. In Übereinstimmung mit dem Stand der Technik wird auch diese Stoßwelle in den Innenraum des Behälters eingebracht und bewirkt im Zuge dessen die plastische Verformung des Vorformlings.

Unter einer Stoßwelle wird eine Druckwelle verstanden, dessen Wellenfront sich im Gegensatz zu normalen Schallwellen mit Überschallgeschwindigkeit fortpflanzt. Diese Überschallgeschwindigkeit bewirkt insbesondere, dass sich die Zustandsgrößen und damit auch der Druck an der Wellenfront nahezu sprunghaft ändern. Diese sprunghafte Änderung führt dann zu einem sogenannten Verdichtungsstoß, welcher für einen sehr kurzen Zeitpunkt sehr hohe Drücke erzeugen kann. Die damit einhergehenden hohen Impulse werden im Rahmen der Erfindung dazu genutzt, die Vorformlinge plastisch zu verformen, sodass auf die zuvor genannten Hochdruckkompressoren grundsätzlich verzichtet werden kann.

Im Gegensatz zu den bisherigen Lösungen wird nunmehr eine plastische Verformung nicht mehr auf Basis eines statischen Druckes sondern vielmehr durch die gezielte Einbringung und Ausbereitung zumindest einer Stoßwelle in dem Vorformling erzeugt. Da die Ausbreitung und Wirkung der Stoßwelle und damit auch des einhergehenden Verdichtungsstoßes auch maßgeblich von der Formgebung des Vorformlings sowie des herauszubilden Behälters abhängig ist, kann es erforderlich sein, die Geometrie des herauszubildenden Behälters an Ausbereitungsparameter der Stoßwelle anzupassen. Beispielsweise kann es erforderlich sein, die Behälter mit vergleichsweise großen Radien auszubilden, sodass keine sprunghafte Querschnittsänderung beim Durchlaufen der Stoßwelle durch den Vorformling bzw. Behälter erfolgt. Eine solche sprunghafte Querschnittsänderung kann eine Stoßfront innerhalb des Behälters bewirken, sodass diese keinen ausreichenden Verformungsdruck mehr auf die Innenwände des Vorformlings bzw. Behälters aufbringen kann.

Darüber hinaus ist auch zu bedenken, dass die Stoßwelle an dem Boden der Innenwandung reflektiert werden kann und auch die reflektierte Stoßwelle einen Beitrag zur plastischen Verformung des Behälters leisten kann. Bei der Auslegung der Behältergeometrie kann es daher zweckmäßig sein, auch die Wirkung der reflektierten Stoßwelle mit einzubeziehen.

Grundsätzlich kann es ausreichen, wenn lediglich eine Stoßwelle in den Vorformling eingeleitet wird, wobei insbesondere die zuvor erwähnte Reflexion der Stoßwelle einen nennenswerten Beitrag zur plastischen Verformung leisten kann. Bevorzugt ist jedoch eine Ausgestaltung, bei der die Verformungseinrichtung mehrere Stoßwellen hintereinander erzeugt, welche dann entsprechend in den Innenraum des Vorformlings eingeleitet werden und ein sukzessives plastisches Verformen bewirken. Im Gegensatz zu einem statischen Druck erfolgt somit die plastische Verformung in mehreren Schritten, sodass sich eine getaktete plastische Verformung einstellt, wobei die Taktung einerseits von der Taktung der eingebrachten Stoßwellen sowie andererseits von der Reflexion der Stoßwellen abhängig ist. Hierbei ist auch zu beachten, dass die von der Verformungseinrichtung erzeugten Stoßwellen mit den reflektierten Stoßwellen interagieren können. Auch dies ist sowohl bei der Auslegung der Behälterform als auch beim Betrieb der Verformungseinrichtung zu beachten.

Die Stoßwellen können grundsätzlich in verschiedener Art und Weise erzeugt werden, wobei jedoch eine bevorzugte Ausgestaltung vorsieht, dass dies in piezoelektrischer und/oder in elektromagnetischer Art und Weise erfolgt. In beiden Fällen wird jeweils ein Schwingelement in Schwingung versetzt und die hierdurch erzeugte Druckwelle fokussiert. Im Falle einer Verformungseinrichtung in Form eines elektromagnetischen Druckimpulserzeugers wird hierzu eine Spule mit metallischer Membran in Schwingung versetzt, während bei einem piezoelektrischen Druckimpulsgeber die Schwingung über einen Piezokristall erfolgt. Die Erfindung ist allerdings nicht auf diese beiden Arten von Druckimpulserzeugern beschränkt. Vielmehr kann die Stoßwelle auch elektrohydraulisch in Form eines Zündfunkens oder aber auch in Form einer Druckentladung mit Hilfe eines Projektils erfolgen. Unabhängig von der Art der Stoßwellenerzeugung ist vorgesehen, dass die zumindest eine erzeugte Stoßwelle einen Maximaldruck zwischen 10 und 40 bar, bevorzugt zwischen 15 und 35 bar aufweist. Hierbei ist zu beachten, dass im Gegensatz zu statischen Drücken Stoßwellen nur für einen kurzen Zeitpunkt einen Maximaldruck aufweisen, welcher dann kontinuierlich abfällt. Um dennoch einen ausreichenden Verformungsdruck erzeugen zu können, ist es erforderlich, dass zuvor erwähnte Druckniveau zu erreichen.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die plastische Verformung nicht ausschließlich durch das Einbringen von Stoßwellen. Vielmehr ist in einem ersten Schritt vorgesehen, dass der Vorformling entlang einer Behälterachse gereckt wird. Mit einer Behälterachse ist im Rahmen der Erfindung die Achse gemeint, welche bezüglich der Behälterform eine Art Rotationssachse des Vorformlings und später auch des Behälters bildet. Entlang dieser Achse wird dann der Vorformling verlängert, indem vorzugsweise sukzessive eine Reckstange entlang der Behälterachse bewegt wird. Somit erfolgt eine Verlängerung bzw. Reckung des Vorformlings durch mechanische Arbeit. Zugleich ist es möglich, dass die eigentliche Blasumformung sich allein auf das Aufweiten und Ausformen des Behälters beziehen kann, sodass die eingesetzte Energie wesentlich zielführender genutzt wird. Das Einbringen einer entsprechenden Reckstange ist bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Allerdings hat sich auch im Rahmen der Erfindung gezeigt, dass sich gerade in Kombination mit der plastischen Verformung durch Einbringen von Stoßwellen eine besonders vielversprechende Kombination ergibt.

Darüber hinaus kann es auch vorgesehen sein, dass der Vorformling vor dem Einbringen der Stoßwellen mit einem ersten statischen Druck beaufschlagt wird und sich zu einem Rohbehälter aufweitet. Mit Vorteil wird auch im Rahmen dieser Vorgehensweise der Vorformling mittels einer Reckstange entlang der Behälterachse gereckt. Unter einem Rohbehälter wird im Rahmen der Erfindung jedes Behältnis verstanden, welches sich durch plastische Verformung mit einem ersten statischen Druck ausgehend von dem Vorformling einstellt. Es ist somit eine Art Zwischenprodukt zwischen dem ursprünglichen Vorformling und dem fertig ausgebildeten Behälter. Der erste statische Druck beträgt vorzugsweise zwischen 3 und 10 bar, besonders bevorzugt zwischen 4 und 8 bar und dient dazu, den Vorformlingen ein Stück weit aufzuweiten, sodass sich eine Art Blase in dem Vorformling einstellt. Diese Aufweitung hat zur Folge, dass die Stoßwelle wesentlich effektiver auf die Innenwände des Vorformlings bzw. des Rohbehälters einwirken kann, wodurch die Effektivität der plastischen Verformung bzw. die Effektivität der Stoßwelle für die plastische Verformung erhöht wird.

Grundsätzlich kann die zumindest eine Stoßwelle oberhalb der Blasform erzeugt und über einen Kopfbereich des Vorformlings eingeleitet werden. Hierzu weist die Verformungseinrichtung dann einen oberhalb der Blasform angeordneten Druckimpulsgeber auf. Alternativ sieht eine bevorzugte Ausgestaltung vor, dass zumindest eine Stoßwelle an der Reckstange innerhalb des Vorformlings erzeugt wird. In diesem Fall ist ein Druckimpulsgeber in oder an der Reckstange angeordnet, so dass entsprechend die Stoßwelle unmittelbar innerhalb des Vorformlings erzeugt werden kann und eine Einleitung in den Vorformling über den Kopfbereich entfällt. Dies ist insbesondere von Vorteil, da der Kopfbereich des Vorformlings sehr schmal ausgebildet ist und insbesondere hinter dem Kopfbereich eine starke Aufweitung der Behältergeometrie erfolgt. Durch Erzeugung der Stoßwelle innerhalb des Behälters kann die Stoßwelle im Wesentlichen ungehindert eine plastische Verformung des Vorformlings bewirken. Besonders vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang, wenn die Erzeugung der Stoßwelle in einem Bodenbereich des Vorformlings erfolgt, da dort üblicherweise die größten Verformungsdrücke erforderlich sind, um insbesondere Fußabschnitte der Behälter zu erzeugen.

Grundsätzlich können beide Anordnungen auch miteinander kombiniert werden. So können beispielsweise parallel oder auch hintereinander Stoßwellen sowohl oberhalb und als auch innerhalb des Vorformlings erzeugt werden.

Grundsätzlich kann es auch zweckmäßig sein, dass der Rohbehälter zusätzlich mit einem zweiten statischen Druck beaufschlagt wird. Dieser zweite statische Druck beträgt vorzugsweise zwischen 20 und 40 bar, besonders bevorzugt zwischen 25 und 35 bar. Es handelt sich also um einen Druck, wie er auch bislang von den Hochdruckkompressoren erzeugt wird. Allerdings ist es nun mehr möglich, die plastische Verformung mit Stoßwellen ergänzend einzusetzen, um beispielsweise nach dem Einbringen eines ersten und zweiten statischen Druckes die Konturierung in der Flasche vorzunehmen, wobei dann entsprechend filigrane Strukturen in die Behälterform eingebracht werden können. Auch eine umgekehrte Ausgestaltung ist denkbar, bei der nach dem Einbringen der Stoßwellen nochmals für einen kurzen Zeitpunkt ein zweiter statischer Druck eingebracht wird. Die einzelnen Komponenten der Blasformanlage können dann so zueinander eingerichtet und betrieben werden, das sich einerseits in besonders wirtschaftlicher Art und Weise die Behälter ausbilden lassen und andererseits geeignete Behälterformen ausgebildet werden können.

Eine Weiterbildung des Verfahrens sieht ferner vor, dass der Vorform ling vor dem Einbringen in die Blasform in einer Heizvorrichtung vortemperiert wird. Die Vorformlinge durchlaufen hierbei eine Heizvorrichtung, bei der die Vorformlinge sukzessive aufgeheizt und auf eine bestimmte Temperatur vortemperiert werden, die es ermöglicht, die Vorformlinge durch Einbringung des Verformungsdruckes plastisch zu verformen. Da nunmehr die Erzeugung des Verformungsdruckes insbesondere durch die Stoßwellen erfolgt, kann es zweckmäßig sein, entsprechend hohe Temperaturen in dem Vorformling vorzusehen, wodurch die erforderliche Energie zur plastischen Verformung in der Blasanlage reduziert werden kann. Insbesondere bei der plastischen Verformungen mit Stoßwellen ist nämlich zu beachten, dass die hohe Druckenergie nur für einen kurzen Zeitraum vorliegt, in dem dann die plastische Verformung zu erfolgen hat. Durch eine ausreichend hohe Temperatur kann das Material des Vorformlings gezielt eingestellt werden, sodass die Stoßwelle möglichst effektiv die plastische Verformung bewirken kann.

Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Blasformanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit zumindest einer Blasform zur Aufnahme eines Vorformlings und einer der Blasform zugeordneten Verformungseinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, den Vorformling durch Beaufschlagung mit einem Verformungsdruck plastisch zu verformen. Erfindungsgemäß weist die Verformungseinrichtung einen Druckimpulserzeuger zur Erzeugung von Stoßwellen auf.

Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Blasseinrichtung einen piezoelektrischen oder elektromagnetischen Druckimpulserzeuger aufweist. Die grundsätzliche Technologie hierzu wurde bereits im Zuge des Verfahrens näher erläutert. Selbstverständlich ist es auch hier möglich, dass in einer anderen Art und Weise Stoßwellen erzeugt werden. Eine Weiterbildung der Erfindung sieht ferner vor, dass die Verformungseinrichtung oberhalb der Blasform angeordnet ist. Hierbei ist zu beachten, dass üblicherweise die Vorformlinge mit einer Öffnung nach oben hin ausgerichtet sind. Die Verformungseinrichtung schließt dann luftdicht an die Öffnung des Vorformlings an, so dass die Stoßwellen in den Behälter eingeleitet werden können.

Der Druckimpulsgeber ist vorzugsweise im Innern der Verformungseinrichtung angeordnet. Darüber hinaus verläuft eine Reckstange vorzugsweise entlang der Behälterachse und kann entlang dieser bewegt werden.

Vorzugsweise kann dann der Druckimpulserzeuger innerhalb einer entlang der Behälterachse bewegbaren Reckstange angeordnet sein. Alternativ ist es auch möglich jeweils einen Druckimpulserzeuger oberhalb der Blasform und einen weiteren Druckimpulserzeuger innerhalb der Reckstange anzuordnen.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht ferner vor, dass eine Vielzahl von Blasformen und den Blasformen zugeordnete Verformungseinrichtungen nebeneinander angeordnet sind. Besonders bevorzugt weist die Blasformanlage einen Transportkreisel auf, an dem die Blasformen und Verformungseinrichtungen in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sind.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein in der erfindungsgemäßen Blasanlage angeordneter Vorformling.

Fig. 2 den Vorformling nach Aufweitung zu einem Rohbehälter in der erfindungsgemäßen Blasanlage

Fig. 3 den herausgebildeten Behälter in der erfindungsgemäßen Blasanlage

Fig. 4 eine alternative Ausgestaltung der Blasanlage

Die Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Blasformanlage mit einer Blasform 1 sowie einer oberhalb der Blasform 1 angeordneten Verformungseinrichtung 2. In der Blasform 1 ist ein Vorformling 3 abschnittsweise angeordnet, wobei ein Kopfbereich 4 außerhalb der Blasform 1 angeordnet ist. Dieser Kopfbereich 4 ist bereits fertig ausgebildet und weist beispielsweise bereits ein Außengewinde zur Aufnahme einer Verschlusskappe auf. Dieser Bereich des Vorformlings 3 bedarf daher keiner plastischen Umformung.

Die Blasform 1 setzt sich aus drei Blasformteilen 1 a, 1 b, 1 c zusammen, welche insgesamt eine Innenkontur bilden, welche der Formen des herauszubildenden Behälters 6 entspricht. Die Blasformanlage ist Teil eines abfüllenden Betriebes in der Getränkeindustrie, sodass der herauszubildende Behälter 6 ein Getränkebehälter, insbesondere eine Getränkeflasche aus Kunststoff z. B. aus Polyethylenterephthalat (PET) ist.

Nachdem der Vorformling 3 in der Blasform 1 angeordnet wurde, erfolgt eine Reckung entlang der Behälterachse 7 mittels einer Reckstange 14 in eine Reckrichtung R. Die gestrichelte Kontur deutet an, dass hierdurch insbesondere eine Verlängerung des Vorformlings 3 erfolgt. Somit wird der Vorformling 3 in Reckrichtung R plastisch verformt. Um die plastische Verformung zu vereinfachen wurde der Vorformling 3 vor dem Einbringen in die Blasform 1 in einer separaten Heizvorrichtung vortemperiert, wodurch das Material des Vorformlings 3 aufgeweicht wurde.

Die Verformungseinrichtung 2 weist einen Druckimpulsgeber 8 auf, dessen Funktion insbesondere der Fig. 3 näher entnommen werden kann. Hierzu wird jedoch später noch genauer eingegangen. Darüber hinaus ist eine Zuleitung 9 vorgesehen, welche die Einbringung von Druckluft mit einem ersten statischen Druck ermöglicht. Dieser erste statische Druck beträgt zwischen 3 und 10 bar und ermöglicht, dass der Vorformling 3 zu einem Rohbehälter 11 aufgeweitet wird. Dies geht insbesondere anhand der Fig. 2 deutlich hervor. Demnach weist der Rohbehälter 11 eine Blase auf, welche insgesamt zu einer bauchigen Ausgestaltung des Rohbehälters 11 führt.

Nach der Umformung des Vorformlings 3 zum Rohbehälter 11 kann dann die Druckluft über eine Abführleitung 15 aus der Verformungseinrichtung 2 abgeführt werden. Zusätzlich ist auch eine Rekuperationsleitung 10 vorgesehen, über die die Druckluft auf dem entsprechenden Druckniveau rekuperiert werden kann. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn zusätzlich ein zweiter statischer Druck eingebracht werden soll, wobei das Druckniveau dann deutlich oberhalb des ersten Druckniveaus liegt und entsprechend sehr viel höhere Leistungen erforderlich sind, um diesen zweiten statischen Druck zu erzeugen. Sodann erfolgt die Umformung des Rohbehälters 11 zum fertigen Behälter 6 gemäß der Fig. 3, wobei der Druckimpulsgeber 8, welcher entweder piezoelektrische oder elektromagnetisch betrieben wird, Stoßwellen 12 erzeugt, welche in Richtung des Kopfbereiches 4 des Behälters 6 fokussiert und sodann in den Innenraum des Rohbehälters 11 bzw. des Behälters 6 eingebracht werden und bewirken, dass die Wände des Rohbehälters 11 an die Innenkontur 5 herangerückt werden.

Grundsätzlich kann es ausreichend sein, wenn lediglich eine Stoßwelle 12 erzeugt wird, bevorzugt sind aber mehrere Stoßwellen 12 vorgesehen. Darüber hinaus ist zu beachten, dass die Stoßwellen 12 insbesondere in einem Bodenbereich 13 der Blasform 1 reflektiert werden können und ebenfalls zu einer plastischen Verformung beitragen. Dies ist jedoch in der Figur 3 nicht näher dargestellt.

Die Fig. 4 zeigt eine Ausgestaltung, bei der der Druckimpulsgeber 8 nicht oberhalb der Blasform 1 sondern vielmehr innerhalb der Reckstange 14 angeordnet ist. Hierdurch können unmittelbar innerhalb des Vorformlings 3 bzw. des Rohbehälters 11 die Stoßwellen 12 erzeugt werden, so dass eine Einleitung der Stoßwellen 12 über den Kopfbereich 4 entfällt. Darüber hinaus ist der Druckimpulsgeber 8 auch vergleichsweise nah an dem Bodenbereich 13 angeordnet, da hier üblicherweise die größten Verformungsdrücke erforderlich sind.