DE3823670C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Erwärmen von Vorformlingen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erwärmen von Vorformlingen aus thermoplastischen Kunststoffen mit minde­ stens einer als Hellstrahler ausgebildeten Heizung sowie mindestens einer den Vorformling fixierenden Halterung.

Die Erwärmung von Vorformlingen muß in der Weise vorge­ nommen werden, daß das zu erwärmende thermoplastische Mate­ rial warm genug ist, um die gewünschten Verformungen vor­ nehmen zu können, ohne daß deswegen im Material Beschädi­ gungen, beispielsweise Kaltbrüche, auftreten. Andererseits darf das Material auch nicht zu heiß werden, damit inner­ halb des Materials vorhandene chemische Bindungen keinen Schaden leiden. Schließlich ist auch dafür zu sorgen, daß das Material gleichmäßig erwärmt wird, damit beim nachfol­ genden Verformungsvorgang alle Teile nur unter einer be­ stimmten aufgebrachten Kraft einer gleichmäßigen Verfor­ mung unterliegen.

Zu diesem Zwecke ist bisher ein relativ großer Aufwand be­ trieben worden. Die zu verformenden Werkstücke wurden er­ hitzt und für den Fall, daß die Erwärmung in einzelnen Be­ reichen des zu verformenden Vorformlings zu hohe Tempera­ turen annahm, an diesen Stellen mehr gekühlt. So lehrt z. B. die Zeitschrift "Kunststoffe - Plastics", Band 31 (1984), Heft 8, Seite 20-22, Hellstrahler in Verbindung mit soge­ nannten Luftduschen einzusetzen, die den Vorformling wäh­ rend des Aufheizvorgangs an der Oberfläche mit Luft anbla­ sen und dadurch kühlen. Bei diesem Verfahren wird mit hohen Wärmeverlusten gearbeitet. Darüber hinaus gelingt trotzdem eine gleichmäßige Erwärmung des Vorformlings nicht. Insbe­ sondere ist nicht gewährleistet, daß eine einen Hohlkörper umgebende Wandung ein Temperaturprofil aufzeigt, das für die Erwärmung besonders günstige Eigenschaften aufweist. Diese sind beispielsweise davon abhängig, daß die Wandung auf ihrer in den Innenraum des Hohlkörpers weisenden Innen­ seite auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der das Mate­ rial an seine Fließgrenze kommt. Diese Fließgrenze muß er­ reicht werden, wenn beispielsweise im Wege des Blas-Streck- Verfahrens der Körper sowohl in seiner Längsachse gestreckt als auch in seiner Querachse durch Aufblasen vergrößert wird. Eine genaue Einhaltung dieses Temperaturprofils be­ günstigt eine fehlerfreie Erzeugung im Blas-Steck-Ver­ fahren hergestellter Hohlkörper.

Die Verwendung von Hellstrahlern in Betriebsanlagen ist in dem Artikel "Fortschritte in der Infrarot-Technik" in VDJ, Bd. 94, Nr. 36 (1952), S. 1183 bis S. 1186 geschildert.

Aus der EP 0 038 859 B1 ist eine Vorrichtung bekannt, die eine den Vorformling fixierende Halterung und mindestens eine als Hellstrahler ausgebildete Heizung auf­ weist. Eine Heizung ist zur Einführung in den Vorformling an der Halterung angeordnet, während eine weitere Heizung beabstandet von der Halterung zur Beheizung des Vorform­ lings von seiner Außenseite her vorgesehen ist. Diese Vor­ richtung ermöglicht zwar eine günstige Temperaturverteilung innerhalb der Wandung des Vorformlings, die Zusatzheizung im Inneren des Vorformlings macht die Vorrichtung jedoch kompliziert und teuer. Darüber hinaus sind die Einsatzmög­ lichkeiten der Vorrichtung stark eingeschränkt, da die Zu­ satzheizung die möglichen Halsformen und Innenraumabmessun­ gen der Vorformlinge begrenzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Erwärmen von Vorformlingen aus thermoplastischen Kunst­ stoffen anzugeben, welche eine Einstellung des Temperatur­ profils über die Wandung des Vorformlings ermöglicht, dabei kostengünstig ist und in einem weiten Bereich verschieden­ artig geformter Vorformlinge Verwendung finden kann.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Hellstrahler eine eine vorgegebene Strahlung steuerende Steuereinrichtung sowie einen eine vorgegebene Strahlung reflektierenden Reflektor aufweist und daß zwischen der Heizung und dem Vorformling ein Spektralfilter zur Selek­ tion von Strahlungsanteilen angeordnet ist.

Erfindungsgemäß wird der Vorformling mit einer seine Wandung in deren Innenbereich mindestens genauso stark wie in ihrem Außenbereich aufheizenden Strahlung angestrahlt.

Durch Auswahl der richtigen Strahlungsenergie ist es mög­ lich, innerhalb der aufzuheizenden Wandung das zum Verfor­ men der Wandung benötigte Strahlungsprofil genau einzuhal­ ten. Dabei wird die Strahlung innerhalb der Wandung in deren einzelnen Bereichen so genau in Wärme umgesetzt, daß die Wandung auf ihrer gesamten Länge auf das richtige Maß vorgeheizt wird, ohne daß deswegen an einzelnen Stellen der Wandung eine Wärmeabfuhr notwendig wird. Das Verfahren ar­ beitet daher mit einer höchstmöglichen Nutzung der zur Erwärmung erforderlichen Energie.

Gemäß der Erfindung wird der Vorformling mit einer seine Wandung in deren Innenbereich stärker als in ihrem Außenbe­ reich aufheizenden Strahlung angestrahlt. Diese stärkere Aufheizung des Innenbereichs ist notwendig, wenn beispiels­ weise im Wege des Blas-Streck-Verfahrens ein Hohlkörper ver­ formt werden soll. Unter dem Einfluß der in den Hohlkörper eingeleiteten Luft muß die Innenwandung trotzdem so warm bleiben, daß die Fließgrenze des Materials erreicht wird, um eine Beschädigung des Materials während des Blas-Streck- Vorgangs zu verhindern.

Die bisher benutzten Heizungen waren nicht in der Lage, die Wärme in denjenigen Teilen der Wandungen zu erzeugen, in denen sie zum Zwecke der Durchführung der Verformung benö­ tigt wurden. Vielmehr entstanden Zonen hoher Erwärmung, die nicht nur der Verformung des Materials schädlich waren, sondern darüber hinaus auch noch zu Materialumwandlungen führten, die die Qualität des hergestellten Gegenstandes erheblich verschlechterten.

Ein Gedanke der Erfindung kann darin gesehen werden, daß eine gezielte Energieübertragung zu einer gewünschten Er­ wärmung der Wandung führt.

Erfindungsgemäß ist die Heizung als ein Hellstrahler ausge­ bildet.

Mit Hilfe des Hellstrahlers kann die Qualität der ausge­ sandten Strahlung so bestimmt werden, daß die von ihr er­ zeugte Erwärmung der Wandung nach einem gewünschten Tempe­ raturprofil erfolgt. Strahlungsanteile, die Wärme in Wan­ dungsteilen erzeugen, in denen eine Erwärmung nicht oder nur in einem geringen Umfang gewünscht ist, werden von dem Hellstrahler nicht abgestrahlt. Überschüssige Wärme ent­ steht in der Wandung nicht, so daß auch mit einer höchst­ möglichen Ausnutzung der von der Heizung abgegebenen Ener­ gie gearbeitet werden kann.

Weiterhin ist zwischen der Heizung und dem zu erwärmenden Vor­ formling ein Strahlungsanteile selektierender Spektral­ filter angeordnet.

Dieser Filter hält Strahlungsanteile, die von den Strahlern emittiert werden und zur Erzeugung des gewünschten Tempera­ turprofils im Bereich der Wandung des Vorformlings nicht geeignet sind, zurück. Die von dem Strahler emittierte Strahlung enthält erhebliche, im mittleren Infrarotbereich angesiedelte Frequenzanteile. Insbesondere die langwellige Strahlung wird bereits in einem den Strahlern zugewandten äußeren Bereich der Wandung des Vorformlings in Wärme umge­ setzt und erhitzt diese äußeren Bereiche. Soweit diese zu warm werden könnten, werden die langwelligen Anteile der infraroten Strahlung ausgefiltert. Zur Erwärmung der inneren Bereiche der Wandung ist hingegen der kurzwellige Frequenzbereich der Strahlung besonders geeignet. Diese Strahlung dringt tief in das zu erwärmende Material ein und durchläuft darüber hinaus aufgrund der frequenzabhängigen Brechung im Bereich der Übergänge von Luft zu Kunststoff­ material einen längeren Weg im Bereich der Wandung als langwellige Strahlung. Im Bereich dieses relativ langen Weges wird die Strahlungsenergie in Wärme umgesetzt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Filter als Glasscheibe ausgebildet. Diese Ausbildung des Filters ermöglicht eine preiswerte Fertigung der Vor­ richtung. Darüber hinaus ist Glas mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften leicht erhältlich. Die Glasscheibe schirmt die Strahler darüber hinaus gegenüber von im Be­ reich der Vorformlinge vorhandenen Staubpartikeln und sonstigen Verschmutzungen ab. Durch diese Abschirmung der Strahler wird eine Schmutzablagerung in deren Bereich ver­ hindert und hierdurch eine lange Lebensdauer der Strahler gewährleistet.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Er­ findung ist im Bereich eines die Strahler aufnehmenden Gehäuses eine Lufteinlaßöffnung sowie eine Luftauslaß­ öffnung angeordnet. Mit Hilfe dieser Öffnungen kann die Strahler temperierende Kühlluft in das Innere des Gehäu­ ses geleitet werden. Die Kühlung der Strahler verursacht keinen wesentlichen Energiemehrverbrauch, da die Erwärmung der Vorformlinge überwiegend durch Strahlungsenergie und nicht durch Konvektion erfolgt. Die Kühlung der Strahler erhöht gleichfalls wie die Fernhaltung von Schmutzpartikeln die Strahlerlebensdauer.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beige­ fügten Zeichnungen, in denen eine bevorzugte Ausführungs­ form der Erfindung beispielsweise veranschaulicht ist.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung mit Strahlern, die hinter einer Glasscheibe ange­ ordnet sind.

Fig. 2 einen Längsschnitt gemäß Schnittlinie II-II in Fig. 1.

Fig. 3 eine teilweise Darstellung eines Querschnittes durch die Wandung eines Vorformlings mit skizzier­ tem Verlauf eines auftreffenden Lichtstrahles mit unterschiedlichen Frequenzanteilen und

Fig. 4 ein Diagramm der Amplituden-Frequenzverteilung eines Emissionsspektrums mit Kenntlichmachung einer Filterwirkung.

Eine Vorrichtung zum Erwärmen von Vorformlingen 1 besteht im wesentlichen aus einer Heizung 2 und einer den Vorform­ ling 1 fixierenden Halterung 3. Die Heizung 2 besteht aus Hellstrahlern 4, die als Röhrenstrahler 5 ausgebildet sind. Die Röhrenstrahler 5 erstrecken sich mit ihren Längsachsen 6 im wesentlichen in horizontaler Richtung. Es ist aber auch möglich, den Längsachsen 6 beliebige andere Orientie­ rungen zu verleihen. Die Hellstrahler 4 sind in einem In­ nenraum 7 angeordnet, der von Wandungen 8 bereichsweise be­ grenzt ist. Im Bereich einer einer Mittellinie 9 der Halte­ rung 3 zugewandten Begrenzung des Innenraums 7 ist ein Spektralfilter 10 angeordnet. Der Spektralfilter 10 ist als eine Glasscheibe 11 ausgebildet, die sich im wesentlichen in lotrechter Richtung und parallel zu den Röhrenstrahlern 5 erstreckt. Im Bereich der der Glasscheibe 11 abgewandt angeordneten Ausdehnung der Wandungen 8 ist eine Luftzu­ fuhröffnung 12 vorgesehen. Im Bereich der in lotrechter Richtung unteren Ausdehnung der Wandung 8 ist eine Luftaus­ trittsöffnung 13 vorgesehen. Zwischen den Röhrenstrahlern 5 und der Luftzuführöffnung 12 ist ein Kühlluft filternder Luftfilter 14 vorgesehen.

Die Röhrenstrahler 5 sind über Versorgungsleitungen 15 mit einer elektrischen Energiequelle 16 verbunden.

Die Halterung 3 ist im wesentlichen als sich in einer hori­ zontalen Richtung erstreckender Steg 17 ausgebildet, in dem zur Aufnahme der Vorformlinge 1 vorgesehene Öffnungen 18 an­ geordnet sind. Die Mittellinie 9 der Halterung 3 erstreckt sich im wesentlichen zentrisch durch die Öffnung 18 und in lotrechter Richtung. Die Halterung 3 begrenzt in lotrechter Richtung oben einen den Vorformling 1 aufnehmenden Aufnah­ meraum 19, der im Bereich seiner den Röhrenstrahlern 5 zu­ gewandten Begrenzung von der Glasscheibe 11 und im Bereich seiner der Glasscheibe 11 abgewandten Ausdehnung von einem Reflektor 20 begrenzt ist. Ein Vorformling 1 wird in lot­ rechter Richtung von oben in die Öffnung 18 eingeführt und liegt mit einem Wulst 21, der im Bereich seines in lotrech­ ter Richtung oberen Endes angeordnet ist, auf dem Steg 17 auf. Im Bereich seiner in lotrechter Richtung unteren Aus­ dehnung ragt der Vorformling 1 in den Aufnahmeraum 19 hinein. Von den Röhrenstrahlern 5 emittierte Strahlung wird im Bereich der Glasscheibe 11 gefiltert und zur Aufheizung des Vorformlings 1 unerwünschte Strahlungsanteile werden im Bereich der Glasscheibe 11 in Wärme umgesetzt. Die die Glasscheibe 11 passierenden Anteile der Strahlung treffen auf eine Wandung 22 des Vorformlings 1 und werden dort mindestens teilweise in Wärmeenergie umgesetzt. Kurzwelli­ ge Strahlung dringt weit in das Material der Wandung 22 und durchläuft aufgrund optischer Brechung einen längeren Weg innerhalb der Wandung 22 als langwellige Anteile, die da­ rüber hinaus weniger tief in das Material eindringen. Durch den Vorformling 1 hindurchtretende Strahlung bzw. nicht auf den Vorformling 1 treffende Strahlung wird im Bereich eines Reflektors 20 zurückgeworfen und trifft im Bereich der der Glasscheibe 11 abgewandten Ausdehnung des Vorformlings 1 auf die Wandung 22. Der Reflektor 20 gewährleistet somit eine gleichmäßige Aufheizung des Vorformlings 1 im gesamten Bereich der Ausdehnung dessen Wandung 22.

Durch die Luftzuführöffnung 12 wird kühle Luft in den In­ nenraum 7 geleitet. Die kühle Luft durchströmt zunächst den Luftfilter 14 und beaufschlagt anschließend die Röhren­ strahler 5. Die im Bereich der Röhrenstrahler 5 aufgeheizte Kühlluft wird durch die Luftaustrittsöffnung 13 wieder aus dem Innenraum 7 abgeleitet. Die Kühlluft kann der Luftzu­ führöffnung 12 über Leitungen zugeführt werden.

Es ist aber auch möglich, im Bereich der Luftzuführöffnung 12 ein Gebläse 23 anzuordnen.

Durch geeignete Auswahl der Hellstrahler 4 wird die Wandung 22 entsprechend einem vorgegebenem Temperaturprofil erwärmt.

Dieses Temperaturprofil sieht vor, daß die Wandungen 22 in ihrem einander zugewandten Innenbereich 24 stärker aufge­ heizt werden als in einem dem Innenbereich 24 gegenüber­ liegenden Außenbereich 25. Auf diese Weise erreicht das Material im Innenbereich 24 eine Fließgrenze, so daß es sich unter dem Einfluß einer in den Vorformling 1 einge­ leiteten Druckluft dehnen kann. Dabei wird die Temperatur im Innenbereich 24 innerhalb sehr enger Grenzen konstant ge­ halten, um zu verhindern, daß im Material des Innenbereichs 24 Veränderungen stattfinden, die sich auf die Haltbarkeit des zu erzeugenden Hohlkörpers negativ auswirken.

Die Steuerung der von den Hellstrahlern 4 ausgesandten Strahlung erfolgt mit Hilfe genau ausgewählter Gasfüllungen für die Hellstrahler 4 einerseits, durch Festlegung der Qualitäten des Spektralfilters 10 andererseits und schließ­ lich der Reflektionseigenschaften des Reflektors 20 ande­ rerseits. Es ist jedoch auch möglich, allein durch geschick­ te Auswahl der Hellstrahler 4 das gewünschte Temperaturpro­ fil innerhalb der Wandung 22 zu erzeugen. Dabei wird die Strahlung der Hellstrahler 4 nicht zuletzt dadurch gesteu­ ert, daß der Abstand zwischen den Wandungen 22 einerseits und den Hellstrahlern 4 andererseits genau entsprechend dem gewünschten Temperaturprofil eingerichtet wird. Schließlich ist auch mit Hilfe des Luftfilters 14 dafür gesorgt, daß die Hellstrahler 4 eine über ihre Betriebszeit möglichst gleichbleibende saubere Oberfläche aufweisen, so daß eine Verschmutzung der Oberfläche, die zu einer Veränderung der ausgesandten Strahlung führen könnte, weitgehend vermieden wird. Die Strahlung kann zur Erhaltung eines in der Wandung 22 erwünschten Temperaturprofils hinsichtlich ihrer Wellen­ länge gesteuert werden. Es kann auch die Wellenlänge einer ein bestimmtes Temperaturprofil erzeugenden Strahlung kon­ stant gehalten werden. Die Steuerung der Wellenlänge kann über einen Mikroprozessor erfolgen.

Claims (17)

1. Vorrichtung zum Erwärmen von Vorformlingen aus thermo­ plastischen Kunststoffen mit mindestens einer als Hellstrahler ausgebildeten Heizung sowie mindestens einer den Vorformling fixierenden Halterung, dadurch gekennzeichnet,

• 1. daß der Hellstrahler (4) eine eine vorgegebene Strahlung steuernde Steuereinrichtung sowie einen eine vorgegebene Strahlung reflektierenden Reflektor (20) aufweist und
• 2. daß zwischen der Heizung (2) und dem Vorformling (1) ein Spektralfilter (10) zur Selektion von Strah­ lungsanteilen angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spektralfilter (10) als Glasscheibe (11) aus­ gebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Glasscheibe (11) im wesentlichen in lot­ rechter Richtung erstreckt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hellstrahler (4) als Röhrenstrahler (5) ausge­ bildet ist, der sich mit einer Längsachse (6) im wesentlichen parallel zu einer von der Glasscheibe (11) aufgespannten Ebene erstreckt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Röhrenstrahler (5) mit seiner Längsachse (6) im wesentlichen horizontal ausgerichtet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Röhrenstrahler (5) mit seiner Längsachse (6) im wesentlichen in lotrechter Richtung ausgerichtet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizung (2) in einem Innenraum (7) angeordnet ist, der von Wandungen (8) mindestens bereichsweise begrenzt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum (7) gegenüber dem Vorformling (1) von der Glasscheibe (11) begrenzt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wandung (8) eine Kühlluft einleitende Luft­ zuführöffnung (12) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Wandung (8) eine aufgeheizte Kühl­ luft ableitende Luftaustrittsöffnung (13) vorgesehen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzuführöffnung (12) in einem der Glasscheibe (11) abgewandten Bereich der Wandung (8) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Heizung (2) und der Luftzuführöffnung (12) ein Kühlluft filternder Luftfilter (14) angeord­ net ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasscheibe (11) bereichsweise einen den Vor­ formling (1) mindestens bereichsweise aufnehmenden Auf­ nahmeraum (19) begrenzt, der im Bereich seiner der Glasscheibe (11) abgewandt angeordneten Ausdehnung den Reflektor (20) aufweist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorformling (1) in der Halterung (3) befestigt ist, die mindestens eine den Vorformling (1) aufneh­ mende Öffnung (18) aufweist, durch die sich eine gegenüber der Heizung (2) ausgerichtete Mittellinie (9) im wesentlichen in lotrechter Richtung erstreckt.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (3) im wesentlichen als sich in horizontaler Richtung erstreckender Steg (17) ausge­ bildet ist, der mindestens zwei Öffnungen (18) auf­ weist, die mit ihren Mittellinien (9) eine Ebene auf­ spannen, die sich im wesentlichen planparallel zur Glasscheibe (11) erstreckt.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasscheibe (11) aus einem langwellige Infra­ rotstrahlung absorbierenden Material ausgebildet ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrenstrahler (5) als im kurzwelligen Infra­ rotbereich arbeitende Breitbandstrahler ausgebildet sind.