Halskontur an Preformen

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer optimierten Halskontur an Preformen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Preformen zur Ausformung einer vorteilhaften Halsgeometrie für den späteren Blasprozess.

Preformen sind spritzgegossene Rohlinge aus mindestens einem thermoplastischen Material, die in Blasmaschinen für die Herstellung von streckgeblasenen Kunststoffbehältern zum Einsatz kommen. Für die gemäß dieser Erfindung beschriebene übliche Herstellung von Preformen wird Kunststoffrohmaterial plastifiziert und anschliessend mit hohem Druck in ein Ein- oder Mehrkavitäten-Formwerkzeug gepresst.

Es entstehen Preformen gemäss FIG.1 , welche geometrisch im Wesentlichen aus einem Hals-und Schaftbereich und einer Bodenkuppe bestehen, sowie innen durch den Einsatz eines Kernes im Formwerkzeug hohl sind. Der Halsbereich ist derart geformt, dass er beispielsweise mit einer Schraubkappe wiederverschliessbar ausgestaltet sein kann. Der Halsbereich darf oberhalb des Transportringes während des Blasprozesses keine weitere Veränderung erfahren, da sonst die Gefahr besteht, dass das Verschlusssystem seine komplexen Fähigkeiten wie z.B. Dichtheit verlieren würde.

Der Bereich unterhalb des Transportringes, der sich anschliessende Schaftbereich und die Bodenkuppe werden dagegen bei erhöhten Temperaturen zu Hohlkörpern aufgeblasen, wodurch der Kunststoff verstreckt wird und sich dabei erheblich verfestigt. Daher sind die zu verformenden Preformbereiche geometrisch im Zusammenspiel mit der Kerngeometrie für die sich später einstellende Flaschenqualität verantwortlich.

Es ist anzumerken, dass das Temperaturprofil zwischen dem Hals und dem Schaft für ein optimales Ergebnis einen abrupten Temperatursprung von ca. 50 - 80°C machen müsste, was heute jedoch kaum zu realisieren ist. Das führt in den meisten Fällen dazu, das durch einen allmählichen Temperaturübergang das Material unter dem Transportring während des Streckblasprozesses nicht optimal in den Flaschenkörper abgezogen werden kann, was zu unnötigem Materialverbrauch führt.

Üblicherweise stellt das Formwerkzeug die höchste Investition in einem Produktionssystem dar. Deswegen wird hoher Wert darauf gelegt, dass es effizient betrieben wird. So wird der Preform, dessen Aussenhaut im direkten Kontakt mit dem intensiv gekühlten Formstahl steht, und folglich dort schnell erstarrt, schadensfrei und ohne mechanische Deformation entformt, damit das Formwerkzeug ohne Zeitverluste für den nächsten Produktionszyklus bereit ist. Bei den üblichen schnellen Produktionszyklen verbleibt eine erhebliche Restwärme im Inneren der Preformwandung, die zu einer Rückerwärmung führt, wodurch der Preform wiedererweichen und auskristallisieren kann, was ihn unbrauchbar werden lässt.

Es ist daher unerlässlich, den Preform nach der Entformung weiterhin intensiv in einfacheren Formenteilen, in sogenannten Kühlhülsen, während mehrerer Produktionszyklen zu kühlen.

Der Preform, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, entspricht dem heutigen Stand der Technik, bei dem es unausweichlich ist, dass die Wanddicken des Preforms besonders im Bereich der Bodenkuppe und des Schaftes ähnliche Wandstärken aufweisen. Friert das Material durch dünnere Wandstärken im Angussbereich oder im Halsbereich frühzeitig ein, kann das Schrumpfen in der Abkühlphase durch ein Nachdrücken der Schmelze, mit Wirkung auf den gesamten Preform einschliesslich dem Halsbereich, nicht vermieden werden, was in der Konsequenz zu ungewünschten Einfallstellen in kritischen Bereichen des Preforms, besonders im Halsbereich führt.

Die Preform-Geometrie, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist und deren Vorteile nachfolgend erläutert werden, können daher nicht - oder nur unter Berücksichtigung entsprechender Massnahmen, welche den erforderliche Nachdruck aufrecht erhalten - im bekannten Spritzgiessverfahren hergestellt werden, da für diese Erfindung eine wesentlich dünnere Wandstärke im Bereich des Halses unterhalb des Transportrings gewünscht wird als im nachfolgenden Gewindebereich und somit durch ein verfrühtes Einfrieren dieses dünnen Bereiches Einfallstellen nicht mehr vermieden werden können.

Die zentrale Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu beschreiben, mit denen sich Preformen mit wesentlich günstigeren Konturen unterhalb des Tranportringes herstellen lassen. Der Vorteil liegt darin, dass die Infrarotheizungen der nachfolgenden Blasmaschinen über diese nun vergrösserte Oberfläche bei gleichzeitig verringerter Wandstärke effizienter Wärmeenergie einbringen können um den Kunststoff schnell auf eine verstreckfähige Temperatur zu bringen. Dadurch kann bei der Erhitzung des Preforms auf den Hals selbst mehr Rücksicht genommen werden, der nicht erhitzt werden darf - der Temperatursprung vom kalten Halsbereich zum heissen Preformkörper sollte möglichst abrupt sein. Dadurch kann während des Streckblasvorganges das Material direkt unterhalb des Transportringes optimal zu Gunsten des Flaschenkörpers herausgezogen werden, was Einsparungen an Rohmaterialien ermöglicht.

Zur Herstellung derartiger Preformen werden hier gesamthaft drei Lösungen vorgeschlagen, die entweder bereits im Formwerkzeug zur Anwendung kommen - oder später in der Nachkühlung.

So ist es im ersten Ansatz im Bereich des Formwerkzeuges beispielsweise möglich, die Formgebung des Preforms derart zu gestalten, dass der grösste Teil im Übergang des Halses tatsächlich dünnwandig ist - jedoch mindestens zwei oder mehr Kanäle geschaffen werden, die nicht frühzeitig einfrieren und damit den Nachdruck zum Hals aufrecht erhalten. Diese Kanäle zeigen sich am fertigen Spritzling als Stege, die den späteren Blasvorgang nicht negativ beeinflussen - sofern diese möglichst symmetrisch am Umfang verteilt sind.

Ein alternativer zweiter Ansatz den die Erfindung hier beschreibt ist, mindestens zwei Schieber im Werkzeug zu implementieren, die möglichst am Ende der Nachdruckphase die dünne Kontur unter dem Transportring noch im Spritzgießwerkzeug realisieren. Durch einen gutgewählten Zeitpunkt würde der Verdrängungsprozess den Nachdruck sogar unterstützen. Auch bei dieser Lösung entstehen Stege, bedingt durch die Trennstellen der Schieber, Ihre Anzahl steht im direkten Zusammenhang mit der Anzahl der eingesetzten Schieber. Diese Stege können aber wesentlich dünner gestaltet werden, als die Stege, die für die reine Spritzgusslösung notwendig sind, da das Einfrieren der Schmelze in den Stegen dann keine Rolle mehr spielt.

Eine dritte Ansatz, den Preform gemäss dieser Erfindung unter dem Halsbereich dünn auszuprägen kann in der Nachkühlung realisiert werden und basiert auf dem Fakt der Restwärme, was zum Wiedererweichen des Preforms führt. Bei dieser Lösung innerhalb der Nachkühlung, wo die aus dem Werkzeug entnommenen Preformen ohne weiteres Fortsetzen der Kühlung grundsätzlich rückerweichen, d.h. sich auf ein bestimmtes Temperaturniveau einstellen und dadurch wieder leichter ver- formbar werden, kann die gewünschte Kontur durch ein Prägen eingebracht werden. Während wie beim Stand der Technik beschrieben, der Preformschaft und die Pre- formkuppe durch Kontaktkühlung in der Kühlhülse abgekühlt wird, bleibt nun der Bereich zwischen Preformschaft und Transportring durch eine Modifikation der Kühlhülsenfunktion vom Kühlkontakt ausgeschlossen, wodurch sich an dieser Stelle eine Temperatur von ca. 90 - 130°C durch Rückerwärmung einstellen kann und diese damit wieder verformbar wird.

Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei der der Preform grundsätzlich intensiv abgekühlt wird um einen allgemein möglichst verfestigten Preform zu erhalten, liegt der Basisgedanke dieses Erfindungsteils darin, dass durch die veränderte Funktion der Kühlhülse, die den direkten Kontakt zum Preformbereich unterhalb des Transportringes ausschliesst, dort eine intensive Kühlung entfällt und damit eine Rückerwärmung zulässt. Der Preformbereich unterhalb des Transportringes hat nach einer Konditionierzeit von wenigen Sekunden ein Temperaturniveau bei dem er am leichtesten verformbar ist.

Zur Verformung des Preformbereiches unterhalb des Transportringes kommen spezielle Prägeelemente zum Einsatz, welche die neue Kontur gezielt und reproduzierbar umformen.

Die aus solidem Material hergestellten Prägeelemente, beispielsweise aus Werkzeugstahl, sind so angeordnet, dass sie durch eine einfache axiale Bewegung hohe Prägekräfte aufbringen können. Unter Prägen wird verstanden, dass das plastische Material durch Ziehen, Drücken und Schieben derart verformt wird, wie es die Prägeelemente präzise vorgeben. Eine weitere Möglichkeit, den Prägevorgang im besagten Preformbereich in Bezug auf die Präzision zu beeinflussen ist die Möglichkeit, die Prägekörper aktiv zu temperieren.

Grundsätzlich ist der Prägevorgang so zu verstehen, dass die Prägeelemente den weichen Kunststoff auf einen harten Zylinder drücken, der die innere Deformation des Preforms ausschliesst. Der Kunststoff weicht daher nach oben und unten aus, wodurch der Preform sich unerheblich reproduzierbar längen kann, wenn die Bereiche oberhalb und unterhalb der Prägestelle axial frei beweglich sind. Auch dieses Verfahren weisst in direkter Abhängigkeit der Anzahl der Prägeteile leichte Stege auf, da diese geometrische Trennungen in der Kontur besitzen, die sich am Preformhals abbilden. Grundsätzlich hat das Prägeverfahren auf die Produktionszykluszeit keinen Einfluss, da die Zeit des Spritzgiessens im Formwerkzeug länger dauert als der Prägevorgang selbst.

Die Erfindung wird nachfolgend und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 Preform im Querschnitt wie er üblicherweise nach dem Stand der

Technik hergestellt wird

Fig. 2 Preform im Querschnitt bei dem der Bereich unterhalb des Transportringes durch unterschiedliche Verfahren nach oder während des Spritzgießprozesses im Formwerkzeug oder in der Nachkühlstation gestaltet wurde und die Wandstärke dort dadurch nahezu beliebig verringert werden kann

Fig. 3-6 Schematische Ansicht der Nachkühlungseinheit, in die die Prägeelemente integriert wurden und aus der ersichtlich ist, wie die Prägekräfte aufgebracht werden können.

Fig. 7 Schematische Darstellung der Fließwege am aufgewickelten Preform- neck von Aussen und von der Seite.

Fig. 8a-8b Verwendung von Schiebereinsätzen zur Herstellung von dünneren

Wandstärken im Formwerkzeug nach oder während des Füllvorganges.

Fig. 9 Draufsicht einer beispielhaften Produktionsanordnung für Preformen

Die Zeichnungen sollen im Folgenden die Erklärung des Herstellungsvorganges des Preformhalses unterstützen. Figur 1 zeigt einen nach Stand der Technik hergestellten Preform. Dieser kann einen Transportring 3 für weitere Produktionsschritte der Gebindeherstellung aufweisen - es kann zukünftig aber auch möglich sein, dass auf diesen Transportring 3 verzichtet wird, da im Bereich zwischen den Stegen der Preform ggf. gegriffen werden kann. Dabei weist die Wandstärke im Bereich unterhalb des Transportringes 3 eine ähnliche Wandstärke 12 wie im Gewindebereich 15 auf. Für den Blasprozess optimierte Preformen FIG 2 mit verringerten Wandstärken 9 unterhalb des Transportringes 3 können auf Grund der Gefahr des Einfrierens der Schmelze nur mit Einschränkungen spritztechnisch realisiert werden, da dann der Nachdruck, welcher dem Schrumpfen des Preforms während des Abkühlprozesses entgegenwirkt, nicht mehr in den entscheidenden Bereichen wirken kann.

In dieser Erfindung werden drei Lösungsansätze aufgezeigt, wie der Preform in FIG 2 hergestellt werden kann. Es ist dabei aber zu erwähnen, dass alle drei Verfahren mindestens zwei Stege bzw. Kanäle 14 am Umfang des beschriebenen Preformbe- reichs erzeugen, die aber keine nachteiligen Auswirkungen auf das gewünschte Ergebnis haben. Um mit der herkömmlichen Spritzgießtechnik dennoch einen wie in den FIG 2 gezeigten Preform produzieren zu können, wird das Formwerkzeug 17 derart gestaltet, dass über die dünne Wandung 9 unterhalb des Preformhalses 15 mindestens zwei, besser drei Kanäle 14 von ausreichender Breite wie in Fig 7 vorgesehen werden, die die Aufrechterhaltung des Nachdrucks im Halsbereich 15 gewährleistet.

Um die Kanäle 14 schmaler zu gestalten, können aber auch mindestens zwei Schiebeelemente 13 im Formwerkzeug 17 integriert werden, wie in Fig 8a und Fig 8b dargestellt, die dann zum optimalen Zeitpunkt im Spritzgiessprozess zum Einsatz kommen. Diese drücken den noch weichen Kunststoff in der Form in für den Blasprozess weniger kritische Bereiche und unterstützen dabei ggf. die Nachdruckphase.

Schmalere Kanäle können aber auch nach dem Spritzgiessprozess erreicht werden in dem man sie nach dem ersten Abkühlen und dem Öffnen des Formwerkzeugs 17 in üblicher weise mit einem Entnahmearm 18 entnimmt und diese Modifikation in die folgende Nachkühlung verlagert. Der Entnahmearm 18 weist dabei eine Vielzahl von Kühlhülsen 8 auf, in denen der Preform FIG. 1 bis zum Hals- oder Neckbereich 15 eingeführt wird.

Sowohl die Spritzgießmaschinen mit Formwerkzeug 17 wie auch der Entnahmearm 18 sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt.

In Figur 3 bis 6 ist eine solche Kühlhülse 8 dargestellt. Der zunächst hergestellte Preform Fig. 1 weist eine herkömmliche Form mit einer relativ dicken Wandstärke im Bereich unterhalb des Transportringes 3 auf und ist in seinem äusseren Körperbereich bei fast vollständigem, direktem Kontakt in einer wassergekühlten Kühlhülse 8 aufgenommen. Auf diese vorliegende Kühlung, betrieben mit Flüssigkeiten oder Gasen, muss nicht näher eingegangen werden, da sie aus dem Stand der Technik in vielfältigen Ausführungsvarianten bekannt ist.

Die in Figur 3 dargestellten linken Preformpositionierung zeigt, dass die Kühlhülse 8 im oberen Bereich Prägeelemente 5 aufweist, die auf Federn 6 gelagert und durch Schrauben gesichert sind. Der Preform 1 liegt mit seinem Transportring 3 auf den Prägeelementen 5 auf und hat dadurch noch nicht seine axiale Endlage in der Kühlhülse 8 erreicht. Sollte der Preform keinen Transportring 3 aufweisen, dann kann der Preform 1 alternativ durch eine bewegliche, federgelagerte Bodenabstützung 11 an seiner Bodenkuppe in diese Position gebracht werden. Die Prägeelemente 5 liegen in dieser Position noch nicht formgebend am Preform 1 an, wodurch dieser Bereich sich wegen der fehlenden Kontaktkühlung rückerwärmen kann. Die Anzahl der Kühlhülsen 8 können zur Intensivierung der Preformkühlung ein Vielfaches der Anzahl der Kavitäten im Formwerkzeug 17 sein. Dadurch kann die Verweilzeit des Preforms 1 oder Preforms 2 in der Kühlphase über mehrere Spritzgiesszyklen andauern.

Um das Formwerkzeug 17 schnellstmöglich für den nächsten Spritzzyklus bereitzustellen, wird mit einem Entnahmearm 18 die Preformen aus dem Formenbereich entnommen. Dabei nimmt der Entnahmearm 18 eine Position ein, damit die Preform- mündungen der zuletzt hergestellten Anzahl von Preformen 1 einer Transportplatte gegenüberstehen, auf die Stützbolzen 4 und Druckglocken 7 gleicher Anzahl wie Preformen montiert sind, axial fluchten lässt. Die Transportplatte kann wegen des nun folgenden hohen Kräftebedarfs der Einfachheit halber direkt an der beweglichen Schliessplatte montiert sein. Sie könnte aber auch eine eigenständig bewegliche Einheit sein.

Der Stützbolzen 4 ist im Wesentlichen dafür vorgesehen, dass beim Zusammenfahren des Entnahmegreifers 18 mit der Transportplatte der Preform 1 zentriert wird und beim folgenden Prägevorgang durch die Prägeelemente 5 eine Deformation des Pre- forminnendurchmessers weitestgehend vermieden wird. Der Prägevorgang selbst wird mit demselben Zusammenfahren des Entnahmegreifers 18 und der Transportplatte eingeleitet, bei dem durch die Druckglocke 7 die notwendige Kraft auf die Prägeelemente 5 eingeleitet werden. Die eigentlichen Prägekräfte entstehen durch die konische Lagerung der Prägeelemente 5, die sich dadurch um einen geometrisch vorbestimmten Hub zur Preformachse bewegen. Der Winkel und die Länge des Konus werden entsprechend dem Kraftbedarf zum Prägen gewählt,

Die Kraft und der Zeitpunkt für das eigentliche Prägen kann durch einen eigenen gesamthaften Antrieb der Transportplatte bestimmt werden. Ist die Transportplatte jedoch direkt mit der beweglichen Schliessplatte der Spritzgiessmaschine verbunden, ist die Verwendung von individuellen axialen Antrieben notwendig, wenn der Prägezeitpunkt zeitlich verzögert werden soll.

Die Preformen Fig. 1 sind während der Entnahme in der Innenkontur der Kühlhülsen 8 so gelagert, dass sie zwar noch einen weiteren, für das folgende Prägen notwendigen, in seiner Länge bestimmten axialen Hub machen können, diese aber von den Prägeelementen 5 daran gehindert werden, da die Transportringe 3 dort aufliegen. Weisen die Preformen keine Transportringe 3 auf, dann wird der Preform bevorzugt mit einer beweglichen, gefederten Bodenabstützungen 11 in dieser bestimmten Position gehalten. Dieser bestimmte axiale Resthub, wird vom Stützbolzen 4, der Druckglocke 7, dem Preform 1 sowie den Prägeelementen 5 gegen die Rückdruckfeder 6 für den Prägevorgang ausgeführt. Bei Preformen ohne Stützringe 3 wird zudem die Bodenabstützung 1 gegen die Druckfeder 10 bewegt. Der Prägehub wird idealerweise dann durchgeführt, wenn der Wärmehaushalt durch die Rückerwärmung an der Prägestelle 9 zum Prägen optimal ist. Die Prägeelemente 5 können im formgebenden Bereich nahezu beliebig geformt und positioniert werden. Die Prägeelemente 5 können alle gleich gross sein oder verschiedene Grössen annehmen. Auch die Anzahl kann individuell von einem Element beliebig hoch gewählt werden. Ideal sind drei bis sechs gleichgrosse Prägeelemente 5, die jeweils axiale Stege 14 an der Prägestelle des Preforms 2 hinterlassen können. Bei gleichmässiger Verteilung dieser Stege 14, was durch gleichgrosse Prägeelemente 5 erreicht wird, erfährt der spätere Blasprozess keine Nachteile.

Ist der Prägevorgang abgeschlossen, kann das System entlastet werden, wodurch die Rückdruckfeder die Prägeelemente 5 und damit den Preform 2, die Druckglocke 7 und den Stützbolzen 4 wieder in die Ausgangsposition bringt. Selbstverständlich kann die Rückdruckfeder 6 durch eine pneumatische Funktion ersetzt werden, so dass der Auswurf des Preforms 2 zu einem beliebig späteren Zeitpunkt über die Prägeelemente 5 stattfinden kann. Dies ist vor allem entscheidend, wenn der Preform zur weiteren Nachkühlung in der Kühlhülse 8 mit Kontaktkühlung verbleiben soll. Bei einem Preform ohne Stützring 3 können die Prägeelemente 5 in jedem Fall entspannt werden, da der Preform in diesem Fall nicht axial bewegt wird.