VERFAHREN ZUR VERRUNDUNG VON SCHNITTKANTEN VON IM MüNDUNGSBEREICH GESCHNITTENEN KUNSTSTOFFFLASCHEN, SOWIE HERGESTELLTE KUNSTSTOFFFLASCHE

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verrundung von Schnittkanten von im Mündungsbereich geschnittenen Kunststoffflaschen gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In einem Extrusionsblasverfahren hergestellte Flaschen weisen üblicherweise einen soge- nannten verlorenen Kopf auf, der nach dem Entformen der Flasche abgetrennt wird, bevor die Flasche zur Weiterverarbeitung gelangt. Bei dem üblicherweise mechanisch durchgeführten Trennvorgang entstehen an der Mündung der Flasche Schnittkanten. Diese Schnittkanten können zu Phasen führen, die sich bei der Weiterverarbeitung der Flasche, beispielsweise beim Siegeln des Mündungsrandes, als störend erweisen. Bei Kunststoffflaschen, die für die Aufbewahrung von Getränken ausgebildet sind, welche meist direkt aus der Flasche getrunken werden, werden die meist scharfkantigen Schnittkanten an den Mündungsrändern von den Konsumenten als störend empfunden.

Auch bei in einem Streckblasverfahren hergestellten Kunststoffflaschen, meist PET- Flaschen, oder in anderen Herstellverfahren hergestellten Kunststoffflaschen kann es erforderlich sein, einen Teil der Kunststoffflasche, der an die Flaschenmündung angrenzt, abzutrennen. Auch in diesen Fällen erweisen sich die beim Trennvorgang entstehenden Schnittkanten meist als nachteilig.

Verfahren, bei denen die Mündungsränder der Kunststof ff lasche an einer offenen Flamme verschmolzen werden, um eine Verrundung zu erreichen, erweisen sich als wenig zielführend. Beim Aufschmelzen des Kunststoffmaterials in der Flamme entstehen Abgase, die abgesaugt werden müssen. Die Temperatur der Flamme variiert; dadurch kann es zu einem ungleichmässigen Schmelzvorgang kommen. Der daraus resultierende Mündungs- rand ist dann relativ uneben, was beim Siegeln des Mündungsrandes zu Problemen führen kann. Bei Schnitträndern mit Phasen kann es schliesslich sogar zu Verkohlungen und Verbrennungen des Materials kommen, wodurch die Kunststoffflasche unbrauchbar wird. Die Methode, die geschnittenen Kunststoffflaschen mit ihren Mündungsrändern

gegen heisse Flächen zu pressen, oder umgekehrt, um die Schnittränder zu verrunden, führt zu einem erhöhten anlagentechnischen Aufwand und ist mit den kurzen Zykluszeiten bei der Herstellung der Kunststoffflaschen kaum vereinbar.

Aus der US-B 6,237,791 ist ein Verfahren zur mechanischen Umformung des öffnungsrandes eines blasgeformten Weithalsbehälters bekannt. In einem ersten Schrift wird ein Halbfertigprodukt streckgeblasen. Dieses wird dann aus der Form genommen und geschnitten. Der an den geschnittenen öffnungsrand anschliessende Bereich der Behälterwandung wird anschliessend erwärmt und an einem formgebenden Teil gerollt, so dass die nicht verrundete Schnittkante z.B. bis mehr als 360° zurückgerollt und die öffnung von einer gerollten Behälterwandung begrenzt ist. Bei diesem Verfahren entstehen hygienisch bedenkliche Hinterschnitte.

Aus der DE-A 2725 445 ist ein Verfahren bekannt, mit dem einem becherförmigen Vor- f ormling ein automatentauglicher Becherrand angeformt werden kann. Der Vorf ormling ist aus einem geschäumten Kunststoff hergestellt und besitzt einen auskragenden Rand. Ein vorgeformter Profilring aus einem mit dem Schaumkunststoff des becherförmigen Vorformlings verschweissbaren, thermoplastischen Material wird in einer Ultraschall- schweissvorrichtung auf den Rand gestaucht, während 0,2 bis 4 Sekunden beschallt und unter Verdichten des Kunststoffs zum Trinkrand profiliert und verschweisst.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, den geschilderten Nachteilen des Stands der Technik abzuhelfen. Es soll ein Verfahren zur Verrundung der Schnittkanten an den Mündungen geschnittener Kunststoff flaschen geschaffen werden, bei dem Abgase und Verbrennungen des Kunststoffmaterials vermieden werden können. Das Verfahren soll zu einem Mündungsrand mit verrundeten Schnittkanten führen, der eine problemlose Weiterverarbeitung, insbesondere Siegelung, der Flaschenmündung ermöglicht und vom Konsumenten nicht als störend empfunden wird. Dabei soll das Verfahren mit den kurzen Zykluszeiten der Kunststoffflaschenherstellung, beispielsweise im Kunststoffblas- verfahren, insbesondere im Extrusionsblasverfahren, vereinbar sein.

Die Lösung dieser Aufgaben besteht in einem Verfahren zur Verrundung von Schnittkanten von im Mündungsbereich geschnittenen Kunststoff flaschen, welches wenigstens

die im kennzeichnenden Abschnitt des Patentanspruchs 1 angeführten Verfahrensschritte aufweist. Weiterbildungen und/ oder vorteilhafte Ausführungsvarianten der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Es existiert keine einheitliche Definition dafür, wann eine (Schnitt-)Kante an der Mündung einer Kunststoffflasche als verrundet gilt. Eine diesbezügliche Beurteilung durch Konsumenten, die ein Getränk direkt aus der Flasche trinken, unterliegt einem sehr subjektiven Empfinden. Um das Vorliegen einer verrundeten Schnittkante an der Mündung einer geschnittenen Kunststoffflasche objektiv feststellen zu können, wird daher die fol- gende Definition festgelegt:

Eine Schnittkante gilt als verrundet, wenn ihr Krümmungsradius > 20 %der Wandstärke der Kunststoffflasche im Mündungsbereich vor dem Verrundungsvorgang beträgt.

Das vorgeschlagene Verfahren zur Verrundung von Schnittkanten von im Mündungsbe- reich geschnittenen Kunststoffflaschen, bei dem eine Kunststoffflasche, nachdem in einem Schneidvorgang ein überflüssiger Kunststoffabschnitt abgetrennt worden ist, im Mündungsbereich durch Energiezufuhr umgeformt wird, zeichnet sich dadurch aus, dass die Umformung durch die Zufuhr von Ultraschallenergie und Druck erfolgt.

Die Energiezufuhr durch Ultraschall ist sehr genau dosierbar; dadurch können Beschädigungen der Kunststoff flasche im Mündungsbereich vermieden werden. Die Ultraschallenergie wird sehr gleichmässig an die Mündung der Kunststoffflasche übertragen. Der gleichmässig über den Mündungsbereich aufgebrachte Druck dient einerseits dazu, eine möglichst gute Energieübertragung zu gewährleisten. Andererseits unterstützt er auch die Umformung im Mündungsbereich. Dadurch ist eine sehr gleichmässige Verrundung der Schnittkante(n) erzielbar. Die Energiezufuhr erfolgt sehr rasch, so dass das Verfahren sehr gut in Prozesse mit kurzen Zykluszeiten integrierbar bzw. anschliessbar ist. Das Verfahren erfordert auch keine grundsätzliche Umkonstruktion der Herstellanlage für die Kunststoffflasche sondern kann sehr gut in bestehende Anlagen eingebaut bzw. an diese angebaut werden.

Die übertragung der Ultraschallenergie an das Kunststoffmaterial im Mündungsbereich der Kunststoffflasche erfolgt zweckmässigerweise direkt durch das Ansetzen einer So-

notrode an den Mündungsbereich der Kunststoffflasche. Dabei wird die Sonotrode mit einer vorgebbaren Kraft gegen den Mündungsbereich der Kunststoffflasche gedrückt. Solange dieser Druck gleichmässig aufrechterhalten ist, wird die Ultraschallenergie im Mündungsbereich gleichmässig an die Kunststoffflasche übertragen. Durch die Verfor- mung der Schnittkante(n) wird der Kontakt zwischen der Sonotrode und der Flaschenmündung verschlechtert. Dies hat zur Folge, dass nur mehr eine reduzierte übertragung der Ultraschallenergie an die Kunststoffflasche erfolgt. Dadurch wird ein übermässiger Energieeintrag selbsttätig vermieden, und es kann zu keinen Beschädigungen der Kunststoffflasche, insbesondere in deren Mündungsbereich kommen.

Die Ultraschallenergie wird vorzugsweise über torsionale Ultraschallschwingungen eingebracht. Mit Hinblick auf die rotationssymmetrische Geometrie der Kunststoffflasche im Mündungsbereich gewährleisten torsionale Schwingungen den besten und effizientesten Energieeintrag.

Für das Verfahren wird je nach Durchmesser des Mündungsbereichs zweckmässigerwei- se eine Sonotrode mit einer Leistung von ca. 50 W bis 500 W eingesetzt. Mit diesen Ultraschallleistungen ist das Material der Kunststoffflasche ausreichend schnell plastifizierbar, um die permanente Umformung im Bereich der Mündung der Kunststoffflasche zu ge- währleisten.

Der für die Umformung auf den Mündungsbereich ausgeübte Druck beträgt etwa 2.5 N/ mm ² bis etwa 4 N/ mm ² . Dabei wird der Druck zweckmässi gerweise direkt mit der Sonotrode auf den Mündungsbereich der Kunststoffflasche ausgeübt. Bei diesen Drücken ist ein sehr guter Kontakt zwischen der Sonotrode und dem Mündungsbereich gewährleistet, der für eine gute Energieübertragung Voraussetzung ist.

In einer ersten Variante des erfindungsgemässen Verfahrens, die sich insbesondere für Kunststoffflaschen mit einer ausreichend hohen axialen Eigensteifigkeit als zweckmässig erweist, wird die Kunststof ff lasche zunächst in einem Bereich oberhalb der eigentlichen Mündung derart geschnitten, dass ein sich kegelmantelförmig verjüngender Wandungsabschnitt stehen bleibt, der von einem die Mündung berandenden, im wesentlichen radialen Mündungsflansch abragt. An seinem freien Schnittende bildet der Wandungsab-

schnitt einen ringförmigen Fortsatz. Die Sonotrode wird axial zugestellt und axial gegen den kegelmantelförmigen Wandungsabschnitt gepresst. Die Sonotrode ist mit einer Schneidkante ausgebildet, damit sie den Wandungsabschnitt durchtrennt. Im Bereich oberhalb und unterhalb des ringförmigen Fortsatzes angreifende Stössel können zu besse- ren Fixierung des Wandungsabschnitts dienen und den Trennvorgang mittels der Sonotrode unterstützen. Danach wird durch weiteren axialen Vorschub der Sonotrode der verbleibenden Wandungsabschnitt umgelegt und mit dem Mündungsflansch verbunden. Der äussere Mündungsrand wird dabei gemäss einer formgebenden Kontur der Sonotrode verrundet.

Vorzugsweise wird beim Umlegen und Verbinden des Wandungsabschnitts mit dem Mündungsflansch der Mündungsflansch senkrecht zu einer Achse des Mündungsbereichs ausgerichtet. Dies erleichtert nachfolgende Verarbeitungsschritte, beispielsweise das Ansetzen einer Abfülldüse oder das Siegeln der Mündung der Kunststoffflasche.

In einer alternativen Verfahrensvariante, die vor allem für Kunststoffflaschen geeignet ist, die eine geringere Eigensteifigkeit, insbesondere Stauchfestigkeit, aufweisen, wird die Kunststoffflasche unmittelbar an ihrer Mündung geschnitten. Die Sonotrode wird axial zugestellt und radial gegen einen die Mündung berandenden Mündungsflansch gepresst. Durch den Ultraschallenergieeintrag und den radial aufgebrachten Druck wird die

Schnittkante verrundet und der Mündungsflansch senkrecht zu einer Achse des Mündungsbereichs der Kunststoffflasche ausgerichtet. Durch das Verrunden der Schnittkante verschlechtert sich der Kontakt zwischen der Sonotrode und der Flaschenmündung. Dadurch wird der Energieeintrag automatisch beendet. Eine Maske, die im Mündungsbe- reich der Kunststoffflasche an deren Umfang angelegt ist, unterstützt die Kunststoffflasche bei mangelnder radialer Eigensteifigkeit.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist grundsätzlich zur Verrundung von Schnittkanten an der Mündung von Kunststoffflaschen aller Art geeignet. Vorzugsweise wird es jedoch bei in einem Extrusionsblasverfahren hergestellten Kunststof ff laschen eingesetzt. Die dabei extrudierten Kunststoffschläuche, aus denen die Kunststoffflasche in einer Blasform durch überdruck aufgeblasen wird, können ein- oder mehrschichtig hergestellt sein und bestehen aus den bekannten, extrudierbaren Kunststoffen, beispielsweise Polypropylen

oder Polyethylen. Der Begriff Polyethylen steht dabei als Sammelbegriff für verschiedene Polyethylene, wie z.B. High Density Polyethylen (HDPE), Low Density Polyethylen (LDPE) usw. Das erfindungsgemässe Verfahren ist auch bei Kunststof ff laschen einsetzbar, die aus extrusionsblasbarem Polyethylenterephthalat hergestellt sind. Schliesslich ist das Verfahren auch bei in einem Streckblasverfahren hergestellten Kunststoffflaschen anwendbar, die im wesentlichen aus Polyethylenterephthalat bestehen.

Eine in einem Blasverfahren hergestellte Kunststoffflasche, die nach dem Blasverfahren in ihrem Mündungsbereich Schnittkanten aufweist, die von einem Abtrennen überschüssi- gen Kunststoffmaterials herrühren, weist verrundete Schnittkanten auf. Die Schnittkanten sind dabei durch den Eintrag von Ultraschallenergie und durch Druck verrundet. Nach der Verrundung weisen die Schnittkanten einen Krümmungsradius auf, der gleich oder grösser ist als 20 % einer Wandstärke der Kunststoffflasche im Mündungsbereich vor der Verrundung der Schnittkanten. Mit gemäss der angegebenen Definition verrundeten Schnittkanten erzeugt die Mündung der Kunststoffflasche bei einem Konsumenten, der ein Getränk direkt aus der Kunststoffflasche trinkt, ein angenehm weiches Gefühl an den Lippen. Die Mündung ist sehr gleichmässig verrundet und erlaubt eine problemlose Weiterverarbeitung der Kunststoffflasche, beispielsweise eine Siegelung der Trinköffnung.

Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden des erfindungsgemä- ssen Verfahrens unter Bezugnahme auf die schematischen Figuren. Es zeigen in nicht massstabsgetreuer Darstellung:

Fig. 1 eine in einem Blasverfahren, insbesondere im Extrusionsblasverfahren hergestellte Kunststoffflasche mit verlorenem Kopfteil;

Fig. 2 die Kunststoffflasche aus Fig. 1 mit abgetrenntem verlorenem Kopfteil zu Beginn des Verfahrens zur Verrundung der Schnittkanten;

Fig. 3 ein Mündungsabschnitt der Kunststoffflasche aus Fig. 1 am Ende des Verrun- dungsverfahrens;

Fig. 4 eine Mikroskopaufnahme des Mündungsabschnitts der Kunststoffflasche gemäss Fig. 3;

Fig. 5 eine in einem Blasverfahren, insbesondere im Extrusionsblasverfahren hergestellte Kunststoffflasche mit verlorenem Kopfteil;

Fig. 6 die Kunststoffflasche aus Fig. 5 mit abgetrenntem Kopfteil zu Beginn des Verfahrens zur Verrundung der Schnittkanten;

Fig. 7 ein Mündungsabschnitt der Kunststoffflasche aus Fig. 5 am Ende des Verrun- dungsverfahrens; und

Fig. 8 ein Mikroskopaufnahme des Mündungsabschnittes der Kunststoffflasche gemäss Fig. 7.

In den Fig. 1 - 8 wird das erfindungsgemässe Verfahren zur Verrundung von Schnittkanten in zwei Varianten am Beispiel einer im Extrusionsblasverfahren hergestellten Kunststoffflasche erläutert. Es versteht sich jedoch, dass das Verfahren zur Verrundung von Schnittkanten auch bei Kunststoffflaschen anwendbar ist, die in anderen Verfahren, beispielsweise in einem Streckblasverfahren oder einem Kunststoffspritzverfahren, hergestellt worden sind.

Die in Fig. 1 bzw. in Fig. 5 dargestellte Kunststoffflasche trägt gesamthaft das Bezugszeichen 1. Sie weist einen Flaschenkörper 2 auf, der einen Mündungsbereich 4 besitzt. An den Mündungsbereich 4 schliesst ein verlorener Kopf teil 3 an, der aus her stellungs technischen Gründen erforderlich ist und abgetrennt wird. In Fig. 1 ist der Angriffspunkt des Schneidwerkzeugs zur Abtrennung des verlorenen Kopfteils 3 mit dem Pfeil S angedeutet.

Fig. 2 zeigt den Mündungsbereich 4 der Kunststoffflasche nachdem der verlorene Kopfteil abgetrennt worden ist. Der verlorene Kopfteil ist dabei derart abgetrennt worden, dass von einem die Mündung 5 der Kunststoffflasche berandenden radialen Mündungsflansch 6 ein kegelmantelf örmiger Wandungsabschnitt 7 abragt, der an seinem freien Ende in

einen ringförmigen Fortsatz 8 übergeht. Am freien Ende des ringförmigen Fortsatzes 8 sind Schnittkanten 9 ausgebildet.

Zur Verrundung der Schnittkanten 9 wird eine Sonotrode 10 axial auf den Mündungsbe- reich 4 der Kunststoffflasche zugestellt. Die Sonotrode 10 ist mit einer Schneidkante 11 ausgestattet, die ringförmig verläuft und in radialem Abstand von der Mündung 5 der Kunststoffflasche am kegelmantelf örmigen Wandungsabschnitt 7 angreift. Der Angriffspunkt ist dabei derart gewählt, dass der von der Mündung 5 bis zum Angriffspunkt der Schneidkante 11 der Sonotrode gemessene Abstand gleich oder grösser ist, als die radiale Länge des Mündungsflansches 6. Die Sonotrode ist zur Abgabe von torsionalen Ultraschallschwingungen ausgebildet. Beispielsweise weist die Sonotrode eine Leistung von ca. 50 W bis ca. 500 W, vorzugsweise etwa 200 W auf. Die Ultraschallfrequenz beträgt ca. 20 kHz. Die Amplitude beträgt etwa 40 μm, die Zeitdauer der Einbringung der Ultraschallenergie beträgt ca. 250 ms. Die Sonotrode wird mit einer Kraft von ca. 2 N/ mm ² - 4 N/ mm ² , vorzugsweise 3 N/ mm ² , axial gegen den kegelmantelf örmigen Wandungsabschnitt 7 gepresst. Dabei durchtrennt die Schneidkante 11 der Sonotrode den Wandungsabschnitt 7. Stössel 14, 15 können dabei im Bereich des ringförmigen Fortsatzes 8 angreifen und den abgetrennten Abschnitt halten.

Der verbleibende Wandungsabschnitt 7 wird durch ein axiales Nachführen der Sonotrode 10 umgelegt und gegen den radialen Mündungsflansch 6 gedrückt und schliesslich mit diesem verbunden, wie es in Fig. 3 angedeutet ist. Dabei wird die Aussenschnittkante des Mündungsbereichs 4 gemäss der Kontur 12 der Sonotrode 10 umgeformt. Gleichzeitig wird bei der Umformung der Mündungsflansch 6 senkrecht zu einer Achse A der Mün- düng 5 ausgerichtet.

Fig. 4 zeigt eine Mikroskopaufnahme eines geschnittenen Mündungsabschnitts 4 der Kunststoffflasche. Der Umlege- und Umf ormprozess ist dabei noch nicht vollständig abgeschlossen. Insbesondere ist der Wandungsabschnitt 7 noch nicht vollständig gegen den Mündungsflansch 6 gepresst und mit diesem verbunden. Auch ist der Mündungsflansch 6 noch nicht senkrecht zur Achse der Mündung 5 ausgerichtet. Es ist aber deutlich ersichtlich, dass durch das Umlegen des Wandungsabschnitts 7 die Wandstärke des Mündungsflansches verdoppelt wird. Bei einem vollständig durchgeführten Verrundungsver-

fahren sind der Wandungsabschnitt 7 und der Mündungsflansch 6 spaltfrei miteinander verbunden. Die Krümmungsradien an der Mündung und an den verrundeten Schnittkanten sind dann gleich oder grösser 20 % der Wandstärke des Mündungsflansches 6 vor dem Verrundungsverfahren.

Die in Fig. 5 dargestellte Kunststoffflasche 1 mit verlorenem Kopfteil entspricht der Darstellung in Fig. 1. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Teile. Mit dem Pfeil S ist wiederum angedeutet, wo das Schneidwerkzeug zur Abtrennung des verlorenen Kopfteils 3 am Mündungsabschnitt 4 angreift.

Gemäss dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der verlorene Kopfteil unmittelbar an der Mündung 5 der Kunststoffflasche abgetrennt. Aus der Geometrie der Kunststoffflasche und des angeformten verlorenen Kopfteils ergibt sich dadurch eine relativ scharfkantige, beinahe messerscharfe Schnittkante 9 am die Mündung 5 beranden- den Mündungsflansch 6. Die Verrundung dieser Schnittkante 9 erfolgt mit einer Sonotro- de 20, die zur Abgabe von torsionalen Ultraschallschwingungen ausgebildet ist. Die Leistung der Sonotrode beträgt wiederum beispielsweise etwa 50 W - 500 W, vorzugsweise ca. 110 W. Die Frequenz der Ultraschallschwingungen beträgt 20 kHz, ihre Amplitude etwa 28 μm. Die Schallzeit wird zu ca. 1 s gewählt. Die Sonotrode 20 wird axial zugeführt und radial gegen die Schnittkante 9 an der Mündung 5 der Kunststoffflasche gepresst. Der Anpressdruck beträgt dabei wiederum etwa 2.5 N/ mm ² - 4 N/ mm ² , vorzugsweise ca. 3 N/ mm ² . Bei Kunststof ff laschen mit geringer Eigensteif igkeit kann an der Aussen- seite der Kunststoffflasche eine Maske 24 angebracht sein.

Fig. 7 zeigt den Mündungsabschnitt 4 am Ende des Verrundungsverfahrens. Die Sonotrode 20 ist soweit in die Mündung 5 der Kunststoffflasche eingefahren, dass der Mündungsflansch 6 senkrecht zur Achse A der Mündung 5 ausgerichtet ist. Dabei ist die Schnittkante am freien Ende des Mündungsflanschs 6 gemäss der Kontur 22 der Sonotrode 20 verrundet worden. Die ursprüngliche Schnittkante 9 ist strichliert angedeutet.

Fig. 8 zeigt eine Mikroskopaufnahme der verrundeten Schnittkante 9 am freien Ende des Mündungsflansches 6 nach der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens. Es ist deutlich ersichtlich, dass die Schnittkante keine scharfen Kanten mehr aufweist, sondern

sehr gut verrundet ist. Der Krümmungsradius der verrundeten Schnittkante 9 ist gleich oder grösser 20 % der Wandstärke des Mündungsflansches 6.

Das erfindungsgemässe Verfahren zur Verrundung von Schnittkanten an der Mündung von geschnittenen Kunststoffflaschen ist bei ein oder mehrschichtig ausgeführten Kunststoffflaschen einsetzbar. Als Materialien kommen alle extrudierbaren Kunststoffe, beispielsweise Polypropylen oder Polyethylene (PE, HDPE, LDPE), aber auch extrudierbares PET, PET für Streckblasverfahren und andere für die grosstechnische Serienproduktion von Kunststoffflaschen einsetzbare Kunststoffe in Frage.