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Die
Erfindung betrifft einen Schrumpfprozess zur Herstellung von festen,
transportfähigen
und bedruckbaren Gebinden, insbesondere Flaschengebinde mit einem
Höhen/Breitenverhältnis von > 1, bestehend aus einem
Umhüllen
der zu verpackenden Güter
mit einer Folie, sodass sich an der Bodenfläche ein überlappender Bereich der Folienenden
ausbildet, einem Aufheizen durch Wärmeaustausch bzw. Konvektion,
um die freien Enden im Überlappungsbereich
zu verschmelzen und einem abschließenden Erhitzen, wobei gleichzeitig
das entstehende Gebinde durch den Schrumpfvorgang stabilisiert wird.
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Schrumpfprozesse
zur Herstellung von festen, transportfähigen und bedruckbaren Gebinden werden
heutzutage in vielfacher Form bei Folienverpackungen durchgeführt, die
als Verkaufseinheit von Flaschen verwendet wird. Die Folie dient
hierbei auch als Werbeträger,
beispielsweise bei Getränkeflaschen,
die mit einer Schrumpffolie umhüllt
sind. Üblicherweise
werden zur Erwärmung
der Schrumpffolien Heißgase
verwendet, bei denen die Wärmeenergie
durch Konvektion auf die Oberfläche
des aufzuheizenden Gutes übertragen
wird.
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Die
WO 02/36436 A1 beschreibt einen mehrzonigen Schrumpftunnel mit einer
Vorschrumpf-Zone mit erwärmter
Umgebungsluft und einer Hitze-Zone, in welcher eine seitliche, abschließende Heißluftbeaufschlagung
der in Folie gehüllten
Güter erfolgt.
Die Güter
werden hierbei zunächst,
vorzugsweise unter Verwendung einer festen Transportschale, zu Gruppen
zusammengefasst und in Folie eingeschlagen. Die am Gebindeboden überlappenden
Folienenden werden durch breitflächiges
Aufblasen von Heißluft versiegelt
und nach einem Vorschrumpfprozess dem abschließenden Schrumpfungsprozess
unterworfen. Damit die fertigen Gebinde bedruckbar sind, müssen sie
konstante Abmessungen und ebene Flächen aufweisen. Außerdem sollte
die bedruckbare Fläche
einen ausreichenden Widerstand gegen die beim Bedrucken aufliegende
Druckrolle bieten, da sonst ein verschwommenes Druckbild entsteht.
Diese Forderungen führen
zu Gebinden mit gleicher räumlicher Abmessung
und reproduzierbarer Relativpositionen der Transportgüter.
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Es
wurde festgestellt, dass besonders beim Transport während der
Verpackung von Gütern
mit hochliegendem Schwerpunkt, wie z.B. bei Flaschen mit einem Höhen-/Breitenverhältnis von
deutlich > 1, vorzugsweise > 2, die im Überlappungsbereich
der Folienenden aufrecht stehenden Güter dazu neigen, ihre Position
relativ zu den anderen Objekten durch Kippen zu verändern. Die
im Herstellungsprozess und beim Transport nicht vermeidbaren Vibrationen und
Erschütterungen
des Gebindes bewirken während
des Schrumpfprozesses eine Instabilität und Ungleichmäßigkeit
der Schrumpfung. Es wurde daher versucht, unter Verwendung einer
festen Tragschale ein Gebinde mit gleicher, räumlicher Abmessung und reproduzierbaren
Relativpositionen der Objekte zueinander herzustellen. Da es sich
jedoch um Massenprodukte mit relativ niedrigen Stückpreisen handelt,
kommt die separate Zuführung
einer Schale für
die Herstellung besonders stabiler Gebinde wegen des erhöhten ökonomischen
Einsatzes von Material und Energien nicht in Betracht.
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Bei
bestimmten Produkten ist eine Erwärmung des gesamten Produktes
nur begrenzt zulässig,
z.B. bei Lebensmitteln wie gekühlten
Milchprodukten oder bei mit Kohlendioxid versetzten, unter Druck
stehenden Getränken.
Daher wurden die Schrumpftemperaturen herabgesetzt, wodurch sich die
Prozessdauer verlängerte.
Allerdings führten
die niedrigeren Temperaturen zu Problemen bei der Verschweißung, so
dass nicht immer die erforderliche Festigkeit in der Gebindehülle erreicht
wurde.
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Die
Erfinder stellten außerdem
fest, dass eine Versiegelung der überlappenden Folienenden bei
niedrigerer Temperatur zwar eine nennenswerte Erwärmung der
Güter selbst
vermeidet, jedoch insbesondere beim kontinuierlichen Transport der
Gebinde mit dem Problem einhergeht, dass die umhüllende Folie bei seitlichem
Anblasen mit Heißluft
aufgeblasen wird und verrutscht. Dies verstärkte die bereits beschriebene Neigung
von Einzelobjekten der zu verpackenden Güter zu kippen bzw. ihre Position zu
verändern.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung war es daher, einen Schrumpfprozess sowie
eine Vorrichtung zur Durchführung
dieses Schrumpfprozesses anzubieten, die ohne separate Tragschale
die Herstellung eines festen Gebindes aus Gütern mit einem Höhen-/Breitenverhältnis von > 1, vorzugsweise > 2, bei gleichbleibender
Packungsdichte und geometrischer Form ermöglicht, wobei die einzelnen
Güter allenfalls
oberflächlich
erwärmt
werden sollen. Bei Einheiten, die nur an ihrer Oberfläche erwärmt werden sollen
oder dürfen,
bedeutet dies, dass die Kerntemperatur niedrig zu halten ist und
die Energieabgabe an die Umwelt reduziert werden muss. Weitere Aspekte
sind Raumbedarf, Prozesssteuerung bei flexiblen Gebindegrößen und
Reduzierung der Umweltbelastung durch Ausgasung von Folienwerkstoffen.
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Diese
Aufgabe wird mit einem Schrumpfprozess gemäß Anspruch 1 sowie einer Vorrichtung
zur Durchführung
des Schrumpfprozesses gemäß Anspruch
7 gelöst.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie
der folgenden Beschreibung.
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Mit
dem neuen Schrumpfprozess konnte eine effiziente Energieübertragung
erreicht werden, wobei der Wärmeübergangskoeffizient
zwischen den beteiligten Medien bzw. Stoffen, die Art und Größe der jeweils
beheizten Oberfläche
und die Strömungsgeschwindigkeit
des Heißgases über die
gesamte Wärmeaustausch
bzw. Konvektionsfläche
sowie der Gasaustausch mit der Umgebung optimiert wurde. Durch bestimmte
Maßnahmen
konnte die Kerntemperatur niedrig gehalten werden und die Verpackungsfolie
durch enge Begrenzung der hohen Temperaturen lokal verschweißt werden,
wobei die Einzelobjekte (Verpackungsgüter) kurzzeitig nur an ihrer Oberfläche auf
die erforderliche Schrumpftemperatur erwärmt wurden. Ferner konnte die
Energieabgabe an die Umwelt dadurch reduziert werden, dass die zum
Verschweißen
der im Bodenbereich überlappenden
Folienenden dienende Heißluft
nur auf die Bodenfläche
des Gebindes und somit zonal begrenzt gerichtet wurde. Dadurch konnte
eine schnelle Formstabilisierung des Gebindes durch „Insitu"-Ausbildung einer
Randschale erreicht werden, so dass die Güter bereits am Anfang des Schrumpfprozesses
in ihrer Position zueinander fixiert wurden. Dadurch hielt das an
der Bodenfläche
bereits stabilisierte Gebinde beim seitlichen Anblasen mit Heißluft auch
einer höheren
Druckbelastungen stand, so dass der Anblasvorgang auf eine kurze
Behandlungsdauer beschränkt
werden konnte.
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Gleichzeitig
ergab sich beim kontinuierlichen Transport, insbesondere bei Gebinden
mit großer Stellfläche der
Vorteil, dass durch die beaufschlagte Heißluft ein Wärmestau in der Stellflächenmitte
bzw. eine unzulässige
Erwärmung
des zu verpackenden Guts vermieden werden konnte. Bisher bestand
die Gefahr, dass sich die Seitenteile des Gebindes durch die allseitig
verströmende
Heißluft
erwärmten
und den Schrumpfprozess der umhüllenden
Folie unregelmäßig beeinflussten.
Dieses Problem konnte durch einen schnellen kontinuierlichen Transport
des Gebindes auf einer netzartigen Struktur in Kombination mit einer
zonalen Beaufschlagung der Bodenflächen durch Heißluft gelöst werden.
Hierbei wird Heißluft
in Bündeln
von diskret verteilten Gasstrahlen in eine Konvektionszone eingeleitet,
welche durch den Gebindeboden einerseits sowie Abluftöffnungen
andererseits begrenzt ist. Die einströmende Heißluft wird unter inniger Wechselwirkung
mit der Folie am Gebindeboden umgelenkt und mit umgekehrter Strömungsrichtung
in das Gaskreislaufsystem rückgeführt. Diese
Form der Heißgasführung wird
im Weiteren als Umkehrströmung
bezeichnet werden. Durch eine Parallelbewegung von Konvektionszone
und Gebindeboden mit unterschiedlicher Geschwindigkeit wird erreicht,
dass die Konvektionszone während des
Transportes des Gebindes langsam über die gesamte Bodenfläche mitwandert,
ohne einen Wärmestau
oder unregelmäßiges Schrumpfen
der Folie an den Gebindeseiten zu verursachen. Durch die besondere
Gasführung
in Form einer Umkehrströmung erfolgt
der Wärmeübergang
in einer definierten Konvektionszone aus dem Heißgas in die Bodenfläche des
Gebindes. Dabei kann der zonale Energieeintrag optimal der Materialstärke oder
Dichte der Folie durch Steuerung der Strömungsgeschwindigkeit des Heißgases und
optimal über
die exakt definierbare Wärmetausch-
bzw. Konvektionsfläche
angepasst werden.
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Die
vorstehend genannten Vorteile werden erfindungsgemäß in überraschend
einfacher und ökonomischer
Weise erreicht. Im Folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer
Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es
zeigen:
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1 prinzipieller
Aufbau einer Schrumpfanlage zur Herstellung von festen, transportfähigen und bedruckbaren
Gebinden (Vorderansicht und Seitenansicht).
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2 perspektivische
Ansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten
Schrumpfvorrichtung
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3 prinzipielle
Darstellung zur Umkehrströmung
und Ausbildung einer Randschale anhand eines Querschnitts durch
eine Luftaustauschplatte
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4 Transport
eines Gebindes über
eine erfindungsgemäß ausgebildete
Vorrichtung zur Heißgasbeaufschlagung
im Bodenbereich des Gebindes
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5 perspektivische
Ansicht der Vorrichtung zur Heißgasbeaufschlagung 6 Gesamtansicht
der Vorrichtung zur Ausbildung einer Randschale
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7 Aufbau
einer erfindungsgemäß ausgebildeten
Vorrichtung zur Ausbildung einer Randschale
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8 Ablaufschema
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Herstellung von festen transportfähigen und bedruckbaren Gebinden.
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Im
oberen Teil der 1 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Durchführung
eines Schrumpfprozesses in Vorderansicht dargestellt. Man erkennt
das Zu- und Abluftsystem 5, 7 mit dem Gebinde 1,
das auf einem Förderband 2 über einer Heißluftquelle 3 angeordnet
ist. Die in Umkehrströmung
aufgebrachte Heißluft
(siehe Pfeilrichtungen in 3) dient
zum Ausbilden einer vorstabilisierenden Randschale 32 im
Bodenbereich des Gebindes.
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Im
rechten Teil von 1 ist das Gebinde 1 in
einer Anlage dargestellt, die eine seitliche Heißluftzuführung 5 aufweist.
Die Güter
(Flaschen) des Gebindes werden über
ein Transportband 6 in Produktlaufrichtung durch die Schrumpfanlage 4 gefördert. Sobald
das Gebinde 1 mit der umhüllenden Folie 8 vor
die Heißluftzuführung 5 gelangt
besteht die Gefahr, dass die Folienhülle durch den Luftdruck aufgeblasen
wird und dabei zu verrutschen droht. Dies wird durch die vorab ausgebildete
Randschale im Bereich des Gebindebodens verhindert, die die Form
des Gebindes und damit die Anordnung der Güter stabilisiert.
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Im
unteren Abschnitt der 1 ist die Schrumpfanlage in
Seitenansicht dargestellt, wobei im linken Teil der Anlage seitlich
neben der Heißluftquelle 3 ein
Abluftsystem 7A 7B angedeutet ist. Die Abluft
wird ganz oder teilweise zur Aufbereitung der Heißluft in
den Kreislauf geführt
bzw. rezykliert, so dass im Zusammenwirken mit dem kontinuierlichen Transport
ein Wärmestau
vermieden werden kann.
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Im
rechten Teil der Schrumpfanlage sind die horizontal wirkenden Heißluftdüsen 5a 5b dargestellt.
Diese leiten den allseitigen Schrumpfungsprozess an dem mit einer
umhüllenden
Folie 8 eingeschlossenen Gebinde ein. In der perspektivischen Darstellung
nach 2 sind die beiden Abschnitte (Ausbildung der Randschale,
Fertigschrumpfen) analog zu 1 dargestellt.
Unter dem Förderband 2 ist die
Heißluftzufuhr
als Umkehrströmung
ausgebildet. Im Konvektionsbereich wird die netzartige Struktur des
Förderbands 2 durch
die Schieber 10, 11 teilweise abgedeckt. Dadurch
ist sichergestellt, dass nur die Bodenfläche 12 des transportierten
Gebindes oder eines Teilbereiches von der einströmenden Heißluft beaufschlagt wird (mitwandernde
Konvektionszone).
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Im
Abschnitt 4 der Anlage strömen die Heißgase mit hohem Druck aus den
seitlich angeordneten Düsen 5.
Die Strömungsgeschwindigkeit
kann weiter erhöht
und über
die gesamte Fläche
konstant gegen die Folie 8 gerichtet werden, da das Gebinde
an der Bodenfläche
bereits so stabilisiert wurde, dass die um die flaschenförmigen Güter 13 umgeschlagene Folie 8 einer
hohen seitliche Druckbelastung standhält.
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Mit
einem abschließenden
Kühlen
durch Anblasen mit Kaltluft (nicht dargestellt) wird zum einen der
Kunststoff vom plastischen Bereich in den elastischen Bereich überführt, wobei
die maximalen Spannungen im Material ansteigen und es sich dabei
verfestigt. Zum anderen schrumpft die Folie auch noch bei dieser
Abkühlung,
wodurch die Spannungen in der Folie ansteigen und die das Gebinde
stabilisierenden Haltekräfte
die erforderliche Größe erreichen. Bei
zu heißer
Umgebung muss aktiv gekühlt
werden, da die Temperatur der Umgebungsluft zur Verfestigung nicht
ausreicht.
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Im
Zusammenhang mit dem in 3 dargestellten Teilquerschnitt
durch eine Luftaustauschplatte soll das Prinzip der Umkehrströmung nachfolgend erläutert werden:
Das
Gebinde 1 steht auf einer netz- oder gitterartigen Struktur 9,
so dass die aus dem Düsenfeld 33 aufströmende Heißluft über Düse 14 einen
Zugang zu einer Konvektionszone 15 des Transportbandes 6 hat.
In der Konvektionszone 15 erfolgt der Wärmeübergang aus dem Heißgas durch
Konvektion in die Bodenfläche 12 des
Gebindes ein. Nach Umlenkung auf der Oberfläche des Gebindebodens strömt das Heißgas in
Pfeilrichtung über
Absaugöffnungen 16, 17 zurück in den
Abluftbereich.
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4 zeigt
den Transport des Gebindes 1 über eine erfindungsgemäß nach dem
Prinzip der Umkehrströmung
ausgebildete Luftaustauschplatte 29 mit Konvektionszone 15 zur
Ausformung einer stabilisierenden Randschale. Dabei wird die Strömungsrichtung
der heißen
Zuluft 5 in das Abluftsystem 7b, 7b umgelenkt.
Nicht dargestellt
ist die zonale Steuerung der Längs-
und Querschieber 23, 26. Diese ist erforderlich,
um die mitlaufende Bewegung von Konvektionszone und Bodenfläche 12 des
Gebindes unter Vermeidung eines Wärmestaus erreichen zu können.
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Am
linken Bildrand ist im Teilquerschnitt der 5 eine bevorzugte
Variante der erfindungsgemäß ausgebildeten
Luftaustauschplatte 29 für die diskrete Heißluftbeaufschlagung
im Bereich des Gebindebodens dargestellt. Die Luftaustauschplatte 29 enthält Gleitstege 31,
auf denen das netzartige Transportband 18 abgestützt wird.
Das Gebinde 1 enthält
eine Vielzahl von mit einer Schrumpffolie 20 umhüllten Produkten 19.
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Wenn
der Transport des Gebindes 1 in Pfeilrichtung über die
Luftaustauschplatte 29 erfolgt, werden die Zulufteinheiten 21 und
die Ablufteinheiten 22 über
registerartig angeordnete Quer- und Längsschieber gesteuert. Diese
Steuerung, auch „Zonenaktivierung" genannt, ist in 6 und 7 dargestellt
und wird nachfolgend ausführlich
beschrieben:
Die Zonenaktivierung kann manuell oder automatisch
gesteuert erfolgen. In dem Beispiel nach 6 wird das
Gebinde 1 in Pfeilrichtung über das netzartige Transportband 18 in
den Einflussbereich der Heißluftquelle 3 (senkrechter
Pfeil) gefördert.
In den hier dargestellten Beispielen wird der Längsschieber 23 manuell
eingestellt. Dieses kann über
eine Excenterverstellung 24 gemäß 7 erfolgen.
In Querrichtung erfolgt die Schiebereinstellung gesteuert über eine
Zonenaktivierung 25, mit deren Hilfe die Querschieber 26 je
nach Position des Produktes bzw. des Gebindes 1 auf dem
Transportband 18 entweder die Zuluft aktivieren oder abschalten.
Zur Steuerung der Zonenaktivierung sind gemäß Ausführungsbeispiel eine Lochplatte
als Querschieber 26 sowie Rohre 27 für die Heißluftzufuhr
und ein Trenngehäuse 28 für die Zu-
und Abluft erforderlich.
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Aus
dem vorstehenden Beispiel ergibt sich, wie in der erfindungsgemäßen Vorrichtung
das Heißgas
zur Ausbildung einer stabilisierenden Randschale nach dem Prinzip
der Umkehrströmung
geführt wird.
Die Heizfläche
wird durch eine Luftaustauschplatte dargestellt, die eine spezielle
Gasführung
umfasst, bei der das Gas von einem offenen in einen geschlossenen
Kreislaufsystem überführt wird.
Auf der Heizfläche
ist ein Feld von Vertiefungen, z.B. in Kanal- oder Glockenform,
angeordnet, wobei in jeder Glocke eine zentrisch angeordnete Zulufteinheit
in Form einer Düse
angeordnet ist, die einen sehr geringen Abstand zur erwärmenden
Fläche
aufweist. Seitlich von der Glocke befinden sich eine oder mehrere Ablufteinheiten
in Form von Absaugöffnungen,
deren Durchmesser und Anzahl so gewählt ist, dass die einströmende Zuluft
nach Umlenkung an der Gebindebodenfläche abgesaugt wird.
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Im
Zusammenhang mit dem Teilquerschnitt durch eine Gleitplatte nach 3 und 5 kann
die Umkehrströmung
anhand einer prinzipiellen Darstellung erläutert werden. Das Gebinde 1 steht
auf einer netz- oder gitterartigen Struktur 9 bzw. 10,
so dass die aus einer Senke bzw. Glocke aufströmende Heißluft einen Zugang zur Konvektionszone 15 hat.
In der Konvektionszone 15 erfolgt der Wärmeübergang aus dem Heißgas durch
Konvektion in die Bodenfläche des
Gebindes. Nach Umlenkung auf der Oberfläche des Gebindebodens strömt das Heißgas über Absaugöffnungen 16, 17 zurück in den
Abluftbereich.
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Bei
dieser Anordnung ist dafür
gesorgt, dass die Vertiefungen oder im vorliegenden Fall die Glocken
immer ganz oder zumindest am Rand vollständig von dem Boden des Gebindes
abgedeckt werden. Durch die Umkehrströmung wird der Fehllufteinfluss
minimiert. Auch bei Einsatz von weniger Energie und einer geringen
Zuluftmenge wird die Ausbildung einer stabilisierenden Randschale
erreicht. Dies gilt sogar bei einer parallelen Relativbewegung von
Objekt und Heizfläche,
da die Konvektionszone mitwandert.
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Ferner
ist die erfindungsgemäße Einrichtung in
weiten Abschnitten der Konvektionszone steuerbar. Hierzu wird über Temperatur-
und Strömungsprofile,
die der Anwender wegabhängig
vorgeben kann, eine Zone mit dem gewünschten Energiebedarf versorgt.
Der Energiebedarf wird nach der Materialstärke, der Materialdichte oder
nach den Wärmekapazitäten der
aufzuheizenden Folie berechnet oder empirisch ermittelt. Danach
kann die Folie gezielt temperiert werden.
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Eine
schematische Übersicht
des Verfahrensablaufs beim Schrumpfen zeigt die beiliegende 8.
Hierin bedeuten:
- 1. Umhüllen des Gebindes mit einer
Folie
- 2. Ausbilden des Bodenbereichs mit überlappenden Folienenden
- 3. Anblasen der Überlappung
mit in Umkehrströmung
geführter
Heißluft
bei 200 bis 210°
- 4. zonal begrenzte Haltezeit bis zum Schmelzen der Folie, Dauer
1–2 Sekunden
bei Strömungsgeschwindigkeiten
von 25–35
Meter pro Sekunde
- 5. Formstabilisierung des Gebindes durch Ausbildung einer Randschale
im Bodenbereich
- 6. vollständiges
Schrumpfen der Folie durch seitliches Anblasen mittels Heißluft bei
erhöhtem Druck
- 7. Anblasen mit Kaltluft zur Verfestigung der Folie
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Durch
das Kühlen
im letzten Verfahrensschritt wird zum einen der Kunststoff vom plastischen Bereich
in den elastischen Bereich überführt, wobei die
maximalen Spannungen im Material ansteigen und es sich dabei verfestigt.
Zum anderen schrumpft die Folie auch noch bei dieser Abkühlung wodurch die
Spannungen in der Folie ansteigen und die das Gebinde stabilisierenden
Haltekräfte
größer werden. Bei
zu heißer
Umgebung muss aktiv gekühlt
werden, da die Umgebungsluft zur Verfestigung nicht ausreicht.
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- 1
- Gebinde
- 2
- Förderband
- 3
- Heißluftquelle
- 4
- Schrumpfanlage
- 5
- Heißluftzuführung
-
- a)
Heißluftdüsen
-
- b)
Heißluftdüsen
- 6
- Transportband
- 7
- Abluftsystem
-
- a)
Abluftsystem
-
- b)
Abluftsystem
- 8
- Folie
- 9
- netzartige
Struktur
- 10
- Schieber
- 11
- Schieber
- 12
- Bodenfläche
- 13
- flaschenförmige Güter
- 14
- Düse
- 15
- Konvektionszone
- 16
- Absaugöffnung (3)
Gleitplatte (5)
- 17
- Absaugöffnung (3)
Gleitsteg (5)
- 18
- Netzartiges
Transportband
- 19
- Produkte
(5) Einflußbereich
der Zuluft (6)
- 20
- Schrumpffolie
- 21
- Zuluftdüsen
- 22
- Abluftdüsen
- 23
- Längsschieber
- 24
- Excenterverstellung
- 25
- Zonenaktivierung
- 26
- Querschieber
Lochplatte
- 27
- Rohre
- 28
- Trenngehäuse
- 29
- Luftaustauschplatte
- 30
- Schieberplatte
- 31
- Gleitstege
- 32
- Randschale
- 33
- Düsenfeld