DE19736462C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Warmverformen von Thermoplasten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Warmverformen von Thermoplasten nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruches 1 bzw. dem Oberbegriff des Patentanspruches 9.

Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind aus der EP 0 640 455 A1 bekannt.

Bei derartigen Verfahren bzw. Vorrichtungen kommt es ganz wesent­ lich darauf an, dass der Rohling ein zur Verformung geeignetes Temperaturprofil aufweist, das dem herzustellenden Endprodukt an­ gepasst ist. Ein derartiges Temperaturprofil kann bei komplizier­ ten Formen des Produktes, insbesondere dann, wenn niedrige Wand­ stärken gewünscht sind, relativ kompliziert bzw. über die Umfangs­ fläche des Formkörpers hinweg sehr inhomogen seien. Gewünscht ist allerdings eine nahezu konstante Temperatur über die gesamte Wand­ stärke, also die "Tiefe" des Rohlings. Um dies zu erreichen, wird insbesondere mit Heißluftquellen oder auch Infrarotstrahlern, in vielen Fällen auch mit beheizten, in mehreren Stufen arbeitenden Formen (z. B. beim Tiefziehen) gearbeitet. Hierbei kann die Wärme praktisch ausschließlich über die Oberfläche des Rohlings zuge­ führt werden, so dass man zur Erzielung der konstanten Temperatur im Materialinneren, also über dessen Wandstärke auf den Wärme­ transport durch Wärmeleitung innerhalb des Materials angewiesen ist. Dies wiederum setzt eine relativ langsame Erwärmung bzw. Ver­ weilzeiten voraus, innerhalb derer der Temperaturausgleich (über die Tiefe des Materials) stattfinden kann. Dadurch werden Verfah­ ren und Vorrichtung der eingangs genannten Art aufwendig und störanfällig. Insbesondere ist auch die Einstellung eines geeigneten Temperaturprofils über die räumlichen Ausdehnungen des Rohlings ausgesprochen schwierig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Vorrich­ tung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass eine vereinfachte Erwärmung des Rohlings mit verbesserter Tempera­ tur-Genauigkeit erzielbar ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 bzw. eine Vorrichtung nach Anspruch 9 gelöst.

Hierbei liegt das Intensitätsmaximum im nahen Infrarot, und zwar bei 0,8-1,0 µm, also in einem Bereich von Wellenlängen, die er­ heblich kürzer sind als die Wellenlängen, bei welchen das Intensi­ tätsmaximum üblicher Wärmestrahlungsquellen liegt. Bevorzugterma­ ßen wird nicht nur eine erheblich gleichmäßigere Erwärmung des Rohlings in seiner Tiefe erreicht, sondern auch eine erheblich schnellere Erwärmung. Bei Verwendung eines Temperaturstrahlers mit zumindest im wesentlichen einem kontinuierlichen Strahlungsspekt­ rum ergibt sich dies dadurch, dass bei der hier vorgeschlagenen Einstellung des Intensitätsmaximums auf kürzere Wellenlängen die Strahlungsintensität etwa mit der 4. Potenz der Temperatur des Strahlers zunimmt.

Vorzugsweise wird die Strahlung mittels optischer Einrichtungen, insbesondere Spiegel, Gitter oder dergleichen Einrichtungen der Strahlungs-Optik derart verteilt dem Rohling zugeführt, dass ein der Formeinrichtung angepasstes Temperaturprofil innerhalb des Rohlings nach Ablauf des definierten Zeitraums eingestellt wird. Es wird also nicht die Strahlungsquelle z. B. durch Energiezufuhr eingestellt bzw. verändert, es wird vielmehr die dem Rohling zuge­ führte Strahlung den Anforderungen entsprechend "eingestellt". Hierbei ist es von Vorteil, dass die Strahlung ihr Intensitätsmaximum bei den vorgenannten Wellenlängenbereichen aufweist, so dass die üblichen Mittel der Strahlungs-Optik verwendbar sind.

Besonders vorzugsweise werden die zu erwärmenden Objekte bzw. Roh­ linge mit einer Strahlungsflussdichte über 0,5 MW/m², insbesondere über 1 MW/m² beaufschlagt.

Vorzugsweise wird die Wellenlänge des Intensitätsmaximums durch Einstellung, insbesondere aber durch eine Regelung (also Messung und Rückführung der relevanten Strahlungsgrößen) der Temperatur eines Heizelements eingestellt. Besonders bevorzugt ist hierbei die Einstellung der Wendel-Temperatur einer Halogenlampe. Nachdem diese auf relativ hohe, für Halogenlampen unüblich hohe Temperatu­ ren (zur Erreichung der genannten kurzen Wellenlängen) eingestellt werden muss, sind vorzugsweise entsprechende Maßnahmen getroffen, um dennoch eine lange Lebensdauer der verwendeten Halogenlampe zu gewährleisten. Insbesondere werden hierfür besondere Kühlungsmaß­ nahmen sowohl im Bereich der (Quarz-)Glaskörper als auch im Be­ reich der Sockel der Halogenlampen getroffen.

Um nun die Intensität den Anforderungen entsprechen einzustellen, wird vorzugsweise alternativ oder kumulativ die Entfernung zwi­ schen der Strahlungsquelle und dem Rohling und/oder eine optische Filtereinrichtung wie Gitter oder Graufilter oder dergleichen und/oder Choppereinrichtungen verwendet.

Bei dem kommerziell besonders interessanten Bereich der Verwendung des Verfahrens zur Herstellung von Polyethylen-Flaschen wird vor­ zugsweise so vorgegangen, dass der definierte Aufheiz- oder Bestrahlungs-Zeitraum 10 sec, besonders bevorzugterweise 5 sec nicht wesentlich überschreitet. Dadurch ist zum einen eine gleich­ mäßige Erwärmung der üblichen Rohlinge oder Preforms sicherge­ stellt, andererseits kann mit hoher Geschwindigkeit produziert werden.

Der Preform wird vorzugsweise im wesentlichen unmittelbar nach Be­ aufschlagung mit der Strahlung ohne wesentliche strahlungsbeauf­ schlagungsfreie Verweildauer dem Formwerkzeug, insbesondere einer Blas-Streck-Einrichtung zur Verformung übergeben. Dadurch ist si­ chergestellt, dass sich das (insbesondere durch Optiken) einge­ stellte Temperaturprofil entlang des Körper nicht durch Wärmelei­ tung innerhalb des Preforms verändern kann.

Zur Herstellung von Tiefziehteilen ist es bevorzugt, wenn der Roh­ ling ohne wesentliche Wärmezufuhr von dem Werkzeug auf den Rohling verformt wird. Insbesondere kann dies geschehen, indem der Rohling in einem einzigen Ziehvorgang geformt wird. Dadurch ist gewähr­ leistet, dass das (insbesondere durch optische Mittel) eingestell­ te Temperatur-Profil im Rohling im wesentlichen beibehalten bleibt und die Gefahr eines Anklebens des Rohlings am Tiefziehwerkzeug vermieden wird, wie dies insbesondere bei solchen Tiefziehwerkzeu­ gen der Fall ist, bei welchen die Erwärmung des Rohlings durch das Werkzeug selbst erfolgt.

Die Vorrichtung umfasst also eine Strahlungsquel­ le mit einer Regeleinrichtung zum Regeln eines Emissionswellenlän­ genbereichs der Strahlungsquelle derart, dass das Intensitätsmaxi­ mum der Strahlungsquelle in einem Wellenlängenbereich liegt, in­ nerhalb dessen der Thermoplast mit einem niedrigen Absorptionsgrad bzw. einem höheren Transmissionsgrad als bei längeren Wellenlängen einfallende oder auftreffende Strahlung absorbiert bzw. hindurch­ lässt oder eindringen lässt. Diese Strahlungsquelle ist vorzugs­ weise so ausgebildet, dass ihr Intensitätsmaximum im nahen Infra­ rot und zwar bei 0,8 bis 1,0 µm liegt. Der Absorptionsgrad soll hierbei so niedrig sein bzw. der Transmissionsgrad so hoch sein, dass eine der Dicke des zu bearbeitenden Rohlings entsprechende Eindringtiefe der Strahlung sichergestellt ist und der Rohling nicht nur an seiner Oberfläche sondern von Anfang an (also ohne Temperaturausgleich über Wärmeleitung) in seinem Inneren erwärmt wird.

Vorzugsweise werden Spiegel, Gitter oder dergleichen Einrichtungen der Strahlungs-Optik vorgesehen, um den Rohling mit einem Tempera­ turprofil zu erwärmen, welches zur Formung optimal ist.

Bei der als Strahlungsquelle vorzugsweise vorgesehenen Halogenlam­ pe oder dergleichen Strahlungseinrichtung mit einem Heizelement ist vorzugsweise zur Regelung der Wendel-Temperatur ein Stromreg­ ler vorgesehen, der einen Ist-Wert aus einem entsprechend ausge­ bildeten Fühler (Pyrometer) erhält, um die Wendeltemperatur bzw. den Wellenlängenbereich, bei welchem sich das Intensitätsmaximum der Strahlungsquelle befindet, konstant zu halten und entsprechend den eingangs genannten Vorgaben einzustellen.

Weiterhin wird auch die Intensität (durch Störgrößenaufschaltung bzw. einen Vergleich von Soll- und Ist-Werten) geregelt, so dass innerhalb der eingestellten Zeit der Strahlungsbeaufschlagung das gewünschte Temperaturprofil erreicht wird. Diese Intensitätsein­ stellung kann durch die Entfernung zwischen Strahlungsquelle und Rohling und/oder optische Filtereinrichtungen und/oder eine Chop­ pereinrichtung geschehen, welche sozusagen "Strahlungspakete" zum Rohling gelangen lassen, wobei die Choppergeschwindigkeit so ge­ wählt ist, dass die "Paketdauern" sehr kurz sind in Relation zum Gesamtzeitraum, über welchen dem Rohling Energie zugeführt wird.

Bei der Herstellung von PET-Flaschen wird die Anordnung derart ge­ wählt, dass der Rohling innerhalb einer Zeitdauer von unter 10 sec, vorzugsweise von unter 5 sec in den Bereich der Strahlungs­ quelle gebracht und aus diesem wieder entfernt wird, so dass kein wesentlicher Temperaturausgleich unter Abänderung des (durch opti­ sche Einrichtungen) eingestellten Temperaturprofils geschehen kann. Zusätzlich oder auch alternativ wird die gesamte Vorrichtung zur Herstellung von PET-Flaschen derart ausgebildet und mit nahe beieinander liegenden Stationen (Strahlungsquelle, Formwerkzeug) und mit schnellen Fördereinrichtungen ausgestattet, dass keine wesentliche Verweildauer des Rohlings bzw. Preforms vorliegt, inner­ halb deren eine Beaufschlagung mit Strahlungsenergie zur Erwärmung vor der Verformung in der Blas-Streck-Einrichtung geschehen kann. Auch dadurch wird das eingestellte Temperaturprofil im Preform er­ halten.

Bei der Herstellung von Tiefziehteilen wird ein Tiefziehwerkzeug benutzt, welches eine relativ (gemessen an den bisher benutzten Tiefziehwerkzeugen) niedrige Temperatur aufweist, wobei vorzugs­ weise lediglich ein einziges Tiefziehwerkzeug vorgesehen ist und damit der Rohling in einem einzigen Tiefziehvorgang geformt wird. Auch hierbei liegt der Vorteil wieder darin, dass keine wesentli­ che Veränderung des zuvor durch die entsprechende Strahlungsener­ gie-Zufuhr eingestellten Temperaturprofils erfolgt.

Claims (16)

1. Verfahren zum Warmverformen von Thermoplasten, wobei ein Roh­ ling, Preform oder dergleichen Halbzeug auf eine Verformungs­ temperatur aufgewärmt und durch eine Formeinrichtung, insbe­ sondere eine Blas(-Streck)Einrichtung, eine Tiefzieheinrich­ tung oder dergleichen Formwerkzeug verformt wird und wobei der Rohling mit einer Strahlung definierter Intensität einer Strahlungsquelle beaufschlagt wird, die ein Intensitätsmaxi­ mum in einem Emissionswellenlängenbereich aufweist, der im Infrarotbereich liegt, wobei die Strahlung derart über die Oberflä­ che des Rohlings verteilt in den Rohling eingestrahlt wird, dass ein definiertes Temperaturprofil entlang seiner Oberflä­ che eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Emissionswellenlängenbereich 0,8-1,0 µm Wellenlänge be­ trägt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung mittels optischer Einrichtungen, insbesondere Spiegel, Gitter oder dergleichen Einrichtungen der Strahlung- Optik derart verteilt dem Rohling zugeführt wird, dass ein der Formeinrichtung angepasstes Temperaturprofil innerhalb des Rohlings nach Ablauf eines definierten Zeitraums einge­ stellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge des Intensitätsmaximums durch Regelung der Temperatur der Strahlungsquelle eingestellt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität durch Einstellung, insbesondere durch Regelung einer Entfernung zwischen der Strahlungsquelle und dem Roh­ ling und/oder eine optische Filtereinrichtung wie Gitter und/oder Graufilter und/oder durch Choppereinrichtung einge­ stellt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Herstellung von PET-Flaschen, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling nicht länger als 10 s, vorzugsweise nicht länger als 5 s mit Strahlung beaufschlagt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling im wesentlichen unmittelbar nach der Beaufschla­ gung mit der Strahlung ohne wesentliche strahlungsbeaufschla­ gungsfreie Verweildauer im Formwerkzeug, insbesondere in ei­ ner Blas-Streck-Einrichtung verformt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung von Tiefziehteilen, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling ohne wesentliche Wärmezufuhr von dem Werkzeug auf den Rohling verformt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling in einem einzigen Ziehvorgang geformt wird.

9. Vorrichtung zum Warmverformen von Thermoplasten, umfassend eine Wärmezuführeinrichtung, zum Erwärmen eines Rohlings, Preform oder dergleichen Halbzeug auf eine Verformungstemperatur und eine Formeinrichtung, insbesondere eine Blas(-Streck)Einrichtung, eine Tiefzieheinrichtung oder der­ gleichen Formwerkzeug zum Verformen des aufgewärmten Roh­ lings, wobei
die Erwärmungseinrichtung eine Strahlungsquelle aufweist, die mit einer Regeleinrichtung zum Regeln eines Emissions-Spek­ trums der Strahlungsquelle derart ausgestattet ist, dass ein Intensitätsmaximum der Strahlungsquelle im Infrarotbereich liegt,
und eine strahlungsoptische Ablenkeinrichtung zur Ablenkung zumindest eines Teils der emittierten Strahlung der Strah­ lungsquelle in Richtung eines definierten Bereiches der Roh­ lingsoberfläche vorgesehen ist, um ein definiertes Temperaturprofil entlang der Rohlingsoberfläche einzustellen
dadurch gekennzeichnet, dass
das Intensitätsmaximum im Emissionswellenlängenbereich von 0,8-1,0 µm liegt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle eine Halogenlampe oder dergleichen Strahlungseinrichtung mit einem Heizelement umfasst, und dass die Regelung einen Stromregler zur Einstellung und Regelung der Temperatur der Strahlungseinrichtung, insbesondere einer Wendel der Halogenlampe umfasst.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühleinrichtung vorgesehen ist, um einen Sockel der Strahlungseinrichtung zu kühlen.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, gekennzeichnet durch eine Intensitätsregelungseinrichtung zur Regelung der Inten­ sität der dem Rohling zugeführten Energie, umfassend eine Entfernungs-Einstelleinrichtung zum Einstellen einer Entfernung zwischen der Strahlungsquelle und dem Rohling und/oder eine optische Filtereinrichtung wie Gitter oder Graufilter und/oder Choppereinrichtungen.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12 zur Herstellung von PET-Flaschen, gekennzeichnet durch eine Zeiteinstelleinrichtung, die derart ausgebildet ist, dass dem Rohling eine Strahlung definierter Intensität über einen definierten Zeitraum zuführbar ist, der 10 sec, vor­ zugsweise 5 sec nicht wesentlich überschreitet.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13 zur Herstellung von PET-Flaschen, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle innerhalb einer im wesentlichen kontinu­ ierlich arbeitenden Produktionsstraße im wesentlichen derart unmittelbar vor der Formeinrichtung angebracht ist, dass der Preform im wesentlichen unmittelbar nach der Beaufschlagung mit der Strahlung ohne wesentliche strahlungsbeaufschlagungs­ freie Verweildauer im Formwerkzeug, insbesondere in einer Blas-Streck-Einrichtung verformt wird.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12 zur Herstellung von Tiefziehteilen, dadurch gekennzeichnet, dass die Formeinrichtung im wesentlichen unbeheizt derart ausge­ bildet ist, dass der Rohling ohne wesentliche Wärmezufuhr zur Temperaturerhöhung aus dem Werkzeug verformbar ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein einziges Tiefzieh-Werkzeug vorgesehen ist.