DE102012017364A1

DE102012017364A1 - Vorrichtung und Verfahren zur dauerhaften Umformung von PET-Flaschen oder PET-Behältern nach der Heißabfüllung

Info

Publication number: DE102012017364A1
Application number: DE201210017364
Authority: DE
Inventors: Modesto M. PESAVENTO; Rüdiger Löhl; Uwe Krahl
Original assignee: E-proPlast GmbH; Proplast E GmbH
Current assignee: E-proPlast GmbH; Proplast E GmbH
Priority date: 2012-09-01
Filing date: 2012-09-01
Publication date: 2014-03-06

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung und ein Verfahren zur dauerhaften Umformung von PET-Flasche oder PET-Behälter nach der Heißabfüllung zu entwickeln, welche/s bei vertretbaren Anlagenkosten einen hochzuverlässigen Betrieb gewährleistet, selbst bei Anlagenstillstand durch „Not-Aus” eine Wiederaufnahme des Dauerbetriebs der Anlage ohne zusätzliche Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten ermöglicht, das Befüllen der heißabgefüllten PET-Flaschen mit einem bei Glasflaschen üblichen Füllvolumen derart ermöglicht, dass durch die Verformung ein deutlich höherer Flascheninnendruck und auch eine designerisch vielfältige Flaschenformgebung ohne Rücksicht auf Verstärkungsrillen oder Panelflächen möglich wird, und gleichzeitig auch der Materialaufwand, d. h. das Gewicht der PET-Flaschen/-Behältern im Vergleich zu anderen im Stand der Technik beschriebenen Methoden der PET-Hotfilltechnik, deutlich gesenkt werden soll. Die erfindungsgemäße Vorrichtung (1) zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass in einer nach oben offenen stationären Aufnahme (7), in die die PET-Flasche (2)/der PET-Behälter mit nach oben gerichtetem Behälterboden (10) eingesteckt wird, ein in der Arbeitshöhe vertikal, verfahrbarer Druckstempel (12) mit einer, den durch Gaspolster (17) und Inhalt (4) stabilisierten Behälterboden (10) als Gegenlager nutzende, Ultraschallsonotrode (13) angeordnet ist. Das zugehörige Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass nach Abkühlung des Behälterinhalts (4) bei gleichzeitiger hochfrequenter Schwingung im Arbeitsbereich von 10 kHz bis 40 kHz die Ultraschallsonotrode (13) mittels des Druckstempels (12) bei einer Einwirkzeit auf den Behälterboden (10) von 0,1 s bis 3 s und einem Anpressdruck von 250 N bis 1 kN so weit verfahren wird, dass durch die bleibende Verformung des Behälterbodens (10) im Innern der Flasche (2)/des Behälters ein Überdruck von 0,21 bar bis 0,4 bar bewirkt wird. Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zur dauerhaften Umformung von PET-Flaschen oder PET-Behältern nach der Heißabfüllung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zur dauerhaften Umformung von PET-Flaschen oder PET-Behältern nach der Heißabfüllung.
Im Stand der Technik ist die Heißabfüllung als Verfahren zur Befüllung von Glasflaschen und Glasbehältern mit mikrobiologisch empfindlichen Produkten, wie z. B. Fruchtsäften, fruchthaltigen Getränken, Konfitüren, Soßen, Ketchup etc., schon seit vielen Jahrzehnten bekannt.
Bei der Heißabfüllung wird sowohl der Produktinhalt wie auch die Flasche während des Füllprozesses sterilisiert.
Die nach dem Verschrauben und Abkühlen eintretende Volumenkontraktion der Flüssigkeit bei der Heißabfüllung von Glasflaschen führt zu einer starken Unterdruckbildung im Kopfraum der Flasche. Bedingt durch die massive Glasstruktur hat dies keinerlei Einfluss auf die Formerhaltung der Glasflaschen und der Behälter.
Anders verhält sich aber bei der Heißabfüllung in PET-Flaschen.
Die Abfüllung von heißen Flüssigkeiten in PET-Flaschen und PET-Behältern, unterscheidet sich dabei grundsätzlich von der Heißabfüllung in Glasflaschen, aber auch von der Abfüllung bei der die Flüssigkeiten im kalten, bzw. im erkalteten Zustand in PET-Flaschen und PET-Behältern abgefüllt werden.
Die PET-Heißfülltechnik (Hotfill) ist ein schon seit Jahren bekanntes Verfahren bei der Abfüllung von Flüssigkeiten in PET-Flaschen und PET-Behältern.
Je nach Produkt liegt die Abfülltemperatur dieser Flüssigkeiten in der Regel im Bereich zwischen 80°C bis 92°C.
Die für die PET-Heißfülltechnik benötigten Flaschen müssen dabei konstruktiv derart gestaltet sein, dass die Volumenkontraktion der jeweilig abgefüllten Flüssigkeit während der Abkühlphase nicht dazu führt, dass sich diese Flaschen unkontrolliert deformieren.
Durch das Heat-Set-Blasverfahren werden die heißabfüllbaren PET-Flaschen während des Blasformprozesses thermisch kristallisiert, das heißt der eigentlich im Zustand des normalen Blasens einer PET-Flasche geringe Kristallisationsgrad wird hierbei auf ein höheres Level angehoben. Üblicherweise werden dabei im Material Kristallinitätsgrade zwischen 32% und 38% erzielt.
Zur Erhöhung der Stabilität der heiß abgefüllten PET-Flaschen oder PET-Behälter, die nach dem Erkalten unter Unterdruck stehen, werden am Umfang dieser PET-Flaschen oder PET-Behälter umlaufende Ringe und/oder spezielle Bodengeometrien mit Rippenstrukturen in diese PET-Heißfüllflaschen bzw. -Behälter eingebracht.
Hierfür werden die PET-Heißfüllflaschen beispielsweise auch so gestaltet, dass am Flaschenkörper sogenannte stabile und labile Bereiche vorgesehen sind, die eine gleichmäßige Verformung bei der Volumenkontraktion gewährleisten sollen.
Derartige Flaschen weisen daher sogenannte Panelflächen auf, die speziell so ausgelegt sind, dass die Reduktion des Volumens eine gleichmäßige Verformung der Flaschen bewirkt und die Flaschen sich bei einer Volumenkontraktion nicht unkontrolliert verformen.
Dies erfordert jedoch gegenüber den PET-Flaschen oder PET-Behältern in die die Flüssigkeiten im kalten, bzw. im erkalteten abgefüllt werden, einen deutlich höheren Materialaufwand.
Der zulässige, in der Flasche sich ausbildende (d. h. größtmöglichste) Unterdruck ist bei Flaschen mit sogenannte Panelflächen deutlich geringer als bei heißabgefüllten Glasflaschen.
Die beschrieben Panelflächen, wie auch die Rippenstrukturen bei den vorbeschriebenen PET-Heißfüllflaschen/PET-Heißfüllbehälter haben jedoch den Nachteil, dass auf dem eigentlichen Flaschenkörper kein, oder nur sehr schlecht ein Papieretikett aufzubringen ist, da sowohl bei den Rippenstrukturen, wie auch bei den am Umfang verteilten Panelflächen sich unterhalb der umlaufenden Etiketten Hohlstellen bilden, die dann sowohl zu funktionellen, da das Etikett dort eingestochen bzw. zerrissen werden kann, wie aber auch zu optischen Schwachstellen führen kann, weil das Etikett sich dort von der Flasche abhebt oder ”Falten wirft”.
Ein weiterer nicht zu unterschätzender Nachteil ist auch, dass man aufgrund der technischen Vorgaben zur Gewährleistung der Verformungsstabilität beim Heißabfüllen an ganz bestimmte Flaschengeometrien gebunden ist, und die bei Flaschenformgebungen gewünschten designerischen/gestalterischen Freiheiten gerade bei PET-Heißfüllflaschen stark eingeschränkt sind.
Um diesen Nachteil zu überwinden wurden sogenannte Panelless-Hotfillflaschen entwickelt.
Die Produktion einer solchen Flasche ist zunächst vergleichbar mit der Produktion einer PET-Hotfillflasche mit Panel.
Diese Flaschen werden jedoch nur bis zu einem vorberechneten, geringeren Fülllevel gefüllt, und bevor diese Flaschen dann mit einem Verschluss verschlossen werden, wird über eine spezielle Dosiereinheit flüssiger Stickstoff in den verbleibenden, vorberechneten Kopfraum der Flasche eingefüllt.
Nachdem die Flasche/der Behälter anschließend verschlossen wurde, bildet sich durch den verdampfenden Stickstoff innerhalb der Flasche/des Behälters ein Überdruck aus, so dass diese Flaschen/diese Behälter unmittelbar nach dem Abfüllen und Verschließen unter höchster Temperatur den höchsten Druck aushalten müssen.
Dieser Flascheninnendruck reduziert sich dann mit zunehmender Abkühlung der Flasche. Nach einer Abkühlung auf die typische Raumtemperatur von ca. 20°C liegt der Überdruck, in diesen zusätzlich mit flüssigem Stickstoff während der Heißabfüllung befüllten PET-Flaschen, in der Regel im Bereich zwischen 0,2 bar und 0,5 bar.
Obwohl nun diese sogenannten, mit dem Überdruck von 0,2–0,5 bar befüllten, Panelless-Hotfillflaschen äußerlich glatt ausgeführt werden können, und auch ein Papieretikett einfach und problemlos aufzubringen ist, muss zur Gewährleistung der Standsicherheit bei höchster Temperatur, bei der im Innern diese sogenannten Panelless-Hotfillflaschen der Überdruck ca. 1,8 bis 2,0 bar beträgt, d. h. um nach dem Verschließen diese sogenannten Panelless-Hotfillflaschen zu gewährleisten, dass die Flaschen bei einem Innendruck/Überdruck ca. 1,8 bis 2,0 bar nicht auf „runden Standflächen” stehen und kippeln, muss der Flaschenboden der sogenannten Panelless-Hotfillflaschen grundsätzlich als sogenannter Mehrfußdruckboden (Petaloiddruckboden) ausgeführt werden.
Daher erfordern auch diese Flaschen/Behälter, deren Gewicht gegenüber den Flaschen/Behältern mit Panele bereits um 10–15% reduziert werden kann, gegenüber den PET-Flaschen oder PET-Behältern in die die Flüssigkeiten im kalten, bzw. im erkalteten abgefüllt werden, immer noch einen deutlich höheren Materialaufwand.
Zudem haben diese mit der Panelless-Hotfilltechnik befüllten PET-Flaschen den sehr wesentlichen, weiteren Nachteil, dass der Füllstand der Flasche/des Behälters, durch die Volumenkontraktion der Flüssigkeit während der Abkühlphase bei der sich das im Kopfraum der Flasche ausdehnende Gasvolumen (der Stickstoffüberdruck), dem Konsumenten den Eindruck verleiht, dass diese sogenannten Panelless-Hotfillflaschen nicht richtig „voll” befüllt wurde.
Zum Vergleich, die Volumenkontraktion von 1000 ml Wasser nach dem Abkühlen von 85°C auf 20°C beträgt immerhin ca. 31 ml. Um nun diesen Nachteil zu beseitigen ist aus der US 2010/0199611 A1 eine Vorrichtung und Verfahren bekannt, bei der die PET-Flasche/der PET-Behälter nach der Heißabfüllung verschlossen wird und nach dem nachfolgenden Erkalten der heißabgefüllten Flüssigkeit, etwa auf Raumtemperatur, wird der die/der heißbefüllte, verschlossene PET-Flasche/PET-Behälter am „verschlossenen” Flaschenhals oben, mit nach unten gerichtete Behälter-/Flaschenboden in dem ein vorgeformter Stabilisierungskegel eingebracht ist, in einer vertikal verfahrbaren Haltevorrichtung aufgenommen. Mittels dieser wird die/der verschlossene PET-Flasche/PET-Behälter dann ca. 1 bis 6 Sekunde lang zentriert auf einen ca. 93,3°C bis 232°C heißen Heizstempel aufgepresst. Dabei wird der im Flaschenboden vorgeformte Stabilisierungskegel des Flaschen-/Behälterbodens bei gleichbleibender äußerer „Ring-Standfläche” der PET-Flasche/des PET-Behälter unter Einleitung von Wärmeenergie parallel verschoben, und da am Flaschenboden gegenüberliegend ständig auch Flaschen-/Behälterinhalt als „Kühl-Flüssigkeit” anliegt, wird diese Verformung sofort verfestigt, d. h. der Flaschenboden wird mittels Wärmeenergie bei gleichzeitigem Kontakt des Flaschenbodens mit dem Flascheninhalt („Kühl-Flüssigkeit”) dauerhaft umgeformt. Da der auf Verformungstemperatur erhitzte Flaschenboden ständig, d. h. während der Erwärmung auf die Verformungstemperatur, mit dem Flascheninhalt („Kühl-„Flüssigkeit) in Kontakt ist, wird zudem eine hohe Verformungsenergie (Heizleistung) benötigt. Bei dieser dauerhaften Umformung wird der ursprüngliche Innenraum der PET-Flasche/des PET-Behälter so reduziert, dass sich nach der Bodenverformung im Innern der Flasche ein Innendruck von 0,15 bis 0,2 bar aufbaut. Dieser Innendruck reicht jedoch zumeist nicht aus um der heißbefüllten PET-Flasche, dem heißbefüllten PET-Behälter eine für den Transport ausreichende Stabilität zu verleihen, so dass auch diese, nach der US 2010/0199611 A1 heißbefüllten, und anschließend heißumgeformten PET-Flaschen/PET-Behälter wiederum am Außenumfang der Flasche/des Behälters Verstärkungsrillen erfordern um die erforderliche Stabilität zu gewährleisten. Darüber hinaus ist diese Lösung sehr störanfällig, da bei einem Anlagenstillstand durch „Not-Aus” eine zu diesem Zeitpunkt auf der Heizplatte aufgepresste Flasche zwangsläufig am Boden „zerschmilzt”, da die Heizplatte kurzfristig nicht auf Raumtemperatur abgekühlt werden kann. Dadurch werden vor Wiederaufnahme des Dauerbetriebs der Anlage aufwendige, Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten erforderlich. Selbst für derartige „Havarien” einsetzbare, im Stand der Technik vorbeschriebene Kühlsysteme sind sehr kostenaufwändig, verteuern bei deren Einsatz die Gesamtanlage unverhältnismäßig und benötigen dennoch Reaktionszeiten, so dass zwingend höhere Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten erforderlich werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und eine Vorrichtung und Verfahren zur dauerhaften Umformung von PET-Flaschen oder PET-Behältern nach der Heißabfüllung zu entwickeln, welche/s bei vertretbaren Anlagenkosten einen hochzuverlässigen Betrieb gewährleistet, selbst bei Anlagenstillstand durch „Not-Aus” eine Wiederaufnahme des Dauerbetriebs der Anlage ohne zusätzliche Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten ermöglicht, das Befüllen der heißabgefüllten PET-Flaschen/PET-Behältern mit einem bei Glasflaschen üblichen Füllvolumen ermöglicht, gleichzeitig gegenüber den im Stand der Technik bekannten Verfahren zur dauerhaften Umformung von PET-Flaschen/PET-Behälter nach der Heißabfüllung wesentlich weniger Verformungsenergie benötigt, und zudem durch die Verformung ein deutlich höherer Flascheninnendruck möglich wird, so dass am Außenumfang der Flasche/des Behälters keine Verstärkungsrillen oder Panelflächen mehr erforderlich sind und so gleichzeitig auch eine designerisch vielfältige Flaschenformgebung ohne Rücksicht auf Verstärkungsrillen oder Panelflächen möglich wird, wobei daneben gleichzeitig auch der Materialaufwand, d. h. das Gewicht der PET-Flaschen/-Behältern gegenüber denen, die mit den anderen im Stand der Technik beschriebenen Methoden der PET-Hotfilltechnik befüllt werden, deutlich gesenkt werden soll.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch Vorrichtung und Verfahren zur dauerhaften Umformung von PET-Flaschen oder PET-Behältern nach der Heißabfüllung nach den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruches und den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruches der Erfindung gelöst.
Vorteilhafte Ausführungen, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung der erfindungsgemäßen Lösung in Verbindung mit fünf Darstellungen der erfindungsgemäßen Lösung.
Diese Darstellungen zeigen dabei in:
1 : die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer schematischen Darstellung in der Seitenansicht mit in der Aufnahmeeinheit 5 positionierten PET-Flasche 2 vor der Verformung des Behälterbodens 10;
2: die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer schematischen Darstellung in der Seitenansicht mit in der Aufnahmeeinheit 5 positionierter PET-Flasche 2 während der Verformung des Behälterbodens 10;
3: Einzelheit X, aus der 2 mit einer Großdarstellung der heißbefüllten PET-Flasche 2 während der erfindungsgemäßen Verformung des Behälterbodens 10;
4: die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer schematischen Darstellung in der Seitenansicht mit in der Aufnahmeeinheit 5 positionierten PET-Flasche 2 nach der Verformung des Behälterbodens 10;
5: eine heißbefüllte, erfindungsgemäß verformte PET-Flasche 2 auf dem Behälterboden 10 aufstehend, d. h. nach deren Entnahme aus der erfindungsgemäße Vorrichtung.
In der 1 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 in einer schematischen Darstellung in der Seitenansicht, mit in der Aufnahmeeinheit 5 positionierten PET-Flasche 2, vor der Verformung des Behälterbodens 10 zur dauerhaften Umformung von PET-Flaschen 2 oder PET-Behältern mit nach der Heißabfüllung mittels eines Deckels 3 verschlossenen und nachfolgend auf Raumtemperatur abgekühlten Flaschen-/Behälter-Inhalt 4 dargestellt. Die sog. Hotfill-Flaschen werden mit einer Flüssigkeit (z. B. Fruchtsaft) mit einer Abfülltemperatur von bis zu 93°C gefüllt. Durch die Abkühlung verringert sich, bedingt durch die physikalisch vorgegebene Volumen-Kontraktion das Volumen der Flüssigkeit. Bei einem Volumen von 1000 ml verringert sich z. B. das Volumen von Wasser von einer Temperatur von 85°C bis Raumtemperatur um ca. 31 ml. Durch die Verringerung des abgefüllten Volumens werden Flaschen im Normalfall, d. h. Flaschen die nicht mit Stabilisierungsrillen oder Panelflächen versehen sind, im abgekühlten Zustand auf der äußeren Mantellfläche partielle Einfallstellen aufweisen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einer Aufnahmeeinheit 5 mit einer, an das Oberteil 6 der jeweiligen Flasche/des jeweiligen Behälters angepassten, nach oben offenen stationären Aufnahme 7, einer Deckelaufnahme 8 und einer Zentrierhalterung 9, in die die PET-Flasche 2/der PET-Behälter mit nach oben gerichtetem Behälterboden 10 in die Aufnahmeeinheit 5 eingesteckt und so lagesicher positioniert wird. Die Aufnahmeeinheit 5 die der Kontur der Flaschenschulter bis zum Beginn des Flaschenkörpers folgt, und infolge der konturnahen Führung selbst die mit partielle Einfallstellen versehene Flaschen optimal fixiert, und diese dabei auch vertikal stabil gegen Knickung stützt, bewirkt, dass gegenüber dem Stand der Technik, mittels der hier vorgestellten Erfindung wesentlich höhere auf den Behälterboden 10 axial einwirkende Druckkräfte ohne eine Knickung der Flasche übertragen werden können. Kennzeichnend ist weiterhin, dass an der Vorrichtung 1 oberhalb des Behälterbodens 10, der erfindungsgemäß in der Aufnahmeeinheit 5 positionierten PET-Flasche 2 eine, in der Arbeitshöhe entlang der Mittenachse der PET-Flasche 2 vertikal, und parallel zum Behälterboden 10 axial verfahrbare Vorschubeinheit, der Druckstempel 12 mit einer, den durch Gaspolster 17 und Inhalt 4 stabilisierten Behälterboden 10 als Gegenlager nutzenden, Ultraschallsonotrode 13 angeordnet ist, deren Formgebung derart ausgeführt ist, dass mit der Verformung des Behälterbodens 10 sich die gemeinsame Berührungsfläche von Behälterboden 10 und Ultraschallsonotrode 13 kontinuierlich derart deutlich vergrößert, dass der Druckstempel 12 zunächst nur auf die „ursprüngliche Bodenfläche”, den Ringboden aufsetzt, und während der erfindungsgemäßen Umformung dann zunehmend mit weiteren, wie in den 2 und 3 im Ausführungsbeispiel dargestellt, seitlichen, zum Flaschenrand hin gelegenen Bereichen des Flaschenbodens in den Kontakt tritt. Wie in der 1 auch dargestellt, ist zwischen der Ultraschallsonotrode 13 und dem Druckstempel 12 ein Ultraschallboster 14 und ein Ultraschallkonverter 15 angeordnet, wodurch die gesamte erfindungsgemäße Vorrichtung sehr kompakt und platzsparend aufgebaut ist. Erfindungsgemäß ist darüber hinaus, wenn im Rahmen der Gestaltung des Abfüllprozesses der Abfüllanlage der Druckstempel 12 mit der Ultraschallsonotrode 13 stationär, und die Aufnahmeeinheit 5 mit der positionierten PET-Flasche 2 in der Arbeitshöhe entlang der Mittenachse der PET-Flasche 2 vertikal, und parallel zum Behälterboden 10 verfahrbar in der erfindungsgemäßen Vorrichtung angeordnet sind. Ebenso ist es erfindungsgemäß, wenn im Rahmen der Gestaltung des Abfüllprozesses der Abfüllanlage sowohl der Druckstempel 12 mit der Ultraschallsonotrode 13, wie auch die Aufnahmeeinheit 5 mit der positionierten PET-Flasche 2 in der Arbeitshöhe entlang der Mittenachse der PET-Flasche 2 vertikal, und parallel zum Behälterboden 10 verfahrbar in der erfindungsgemäßen Vorrichtung angeordnet sind. Vorteilhaft ist, wenn die Aufnahmeeinheit 5 aus dem Kunststoff POM hergestellt ist, da so kostengünstig vielfältige, an die unterschiedlichsten Flaschendesign's angepasste Aufnahmeeinheiten 5 angefertigt und bereitgehalten werden können. Die im Rahmen der erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele eingesetzten Flaschen wurden im sogenannten Hotfill-Streck-Blasprozess mit einem den Behälterboden stabilisierenden, in den 1 bis 4 dargestellten, Bodenkegel 16 hergestellt, und stehen im befüllten Zustand auf einer, nach der erfindungsgemäßen Verformung dann später nicht mehr vorhandenen inneren Standringfläche auf. Durch den Bodenkegel 16 wird eine für den Abfüllvorgang ausreichend hohe Stabilität erlangt. Durch die vorteilhafte Gestaltung des Flaschenbodens wird gewährleistet, dass bei der Verformung des Bodenbereiches einerseits möglichst viel Volumen des Flascheninhaltes verdrängt wird, und gleichzeitig bewirkt wird, dass der Ultraschall auf Grund der umlaufenden inneren Standringfläche, auf die auch die Ultraschallsonotrode 13 zuerst aufsetzt, von Beginn/Anfang der Verformung an und bei einfachster Bauteilgeometrie der Ultraschallsonotrode 13 eine optimale dauerhafte Verformung des Behälterbodens 10 durch Ultraschalleinwirkung bewirken kann, da sich mit der Verformung des Behälterbodens 10 die gemeinsame Berührungsfläche von Behälterboden 10 und Ultraschallsonotrode 13 kontinuierlich deutlich vergrößert. Die im Stand der Technik, z. B. in der US 2010/0199611 A1 beschriebene Bodengeometrie ist mittels Ultraschall keinesfalls dauerhaft zu verformen. Das erfindungsgemäße Verfahren zur dauerhaften Umformung von PET-Flaschen 2 oder PET-Behältern nach der Heißabfüllung, mit nach der Heißabfüllung mittels eines Deckels 3 verschlossenen und nachfolgend auf Raumtemperatur abgekühlten Flaschen-/Behälter-Inhalt 4 zeichnet sich dadurch aus, dass, wie in der 1 dargestellt, bereits bei der Heißabfüllung nur so viel Flüssigkeits-Inhalt 4 in die zu verformenden Flaschen 2/Behälter eingebracht wird, dass deren Füllstand gewährleistet, dass nach Abkühlung auf Raumtemperatur bei einer 180° Drehung der Flasche 2/des Behälters (Kopfstand) ein Gaspolster 17, wie in der 1 dargestellt, zwischen der Oberkante des Behälterinhalts 4 und der inneren Geometrie des zu verformenden Behälterbodens 10 verbleibt. Der Abstand zwischen der Flüssigkeit und dem verformbaren Bodenteil, Gaspolster 17 bewirkt die optimale Einwirkung des Ultraschall-Effektes, der in Verbindung mit den 2 und 3 ausführlicher erläutert wird.
Erfindungsgemäß wird, wie in der 2, einer schematischen Darstellung erfindungsgemäße Vorrichtung in der Seitenansicht mit in der Aufnahmeeinheit 5 positionierten PET-Flasche 2 während der Verformung des Behälterbodens 10 dargestellt, nun auf die erfindungsgemäß mit einem Bodenkegel 16 versehene, so befüllte, und in der Aufnahmeeinheit 5 mit nach oben gerichtetem Behälterboden 10 positionierte PET-Flasche 2 (bzw. der PET-Behälter), nach Abkühlung des Behälter Inhalts 4, die Ultraschallsonotrode 13 bei gleichzeitiger hochfrequenter Schwingung der Ultraschallsonotrode 13 im Arbeitsbereich von 10 kHz bis 40 kHz mittels des Druckstempels 12 mit einer Einwirkzeit von 0,1 s bis 3 s und einem Anpressdruck von 250 N bis 1 kN so weit verfahren wird, dass durch die bleibende Verformung des Behälterbodens 10 im Innern der Flasche ein Überdruck von 0,21 bar bis 0,4 bar bewirkt wird. Die Ultraschallsonotrode 13 wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit Hilfe der axialen Vorschubeinheit, dem Druckstempel 12 mit einer Kraft von 650 N und einer Einwirkzeit von 0,25 s auf den Flaschenboden gedrückt, wobei die hochfrequente mechanische Schwingung der Ultraschallsonotrode 13 im vorliegenden Ausführungsbeispiel bei ca. 20 kHz liegt. Die dadurch bewirkte Molekularreibung hat in Verbindung mit der Einwirkung des axialen Vorschubdruckes die erwünschte Erwärmung durch Friktion in der Kunststoffwandung zur Folge, wodurch der Behälterboden 10 „bleibend”/dauerhaft in den Flaschenkörper der Flasche 2 hineingedrückt wird. Die 3 zeigt die Einzelheit X, aus der 2 mit einer Großdarstellung der heißbefüllten PET-Flasche 2 während der erfindungsgemäßen Verformung des Behälterbodens 10. Aus dieser Darstellung werden weitere erfindungswesentlichen Zusammenhänge deutlich. Die Ultraschallschwingungen werden dabei unter Druck auf die Kunststoffwandung des Behälterbodens 10 übertragen. Dadurch erhitzt sich die innere Kunststoffwandung und der Dämpfungsfaktor nimmt zu. Die innere Wandung des Kunststoff-Bodens wird dadurch erwärmt. Während der Einwirkung von Ultraschall schießen jedoch auch gleichzeitig Flüssigkeitsperlen 18 nach oben und benetzen und kühlen die innere Wandung des Behälterbodens 10, so dass eine schnelle dauerhafte plastische Verformung des Behälterbodens 10 mit minimalem Energieaufwand möglich wird. Dadurch, wie auch durch das Eintauchen des inneren Flaschen-/Behälterbodens 10 in die Flüssigkeit, den Inhalt 4, wird die Wandung des Behälterbodens 10 schnell wieder gekühlt und dadurch die thermische Verformung eingefroren. Selbst bei Anlagenstillstand durch „Not-Aus” wird bei der hier vorgestellten erfindungsgemäßen Lösung jegliche Energiezufuhr sofort unterbrochen, so dass gegenüber den Anlagen mit an der Behälterwandung verbleibenden Heizplatten, die bei etwas zu langer Einwirkzeit das Material anschmelzen und eine unkontrollierte Bodenverformen (schrumpfen/abschmelzen) bewirken, da die Heizplatten auf Grund der thermischen Trägheit nur sehr langsam abkühlen. Ultraschall reagiert demgegenüber bei Stromabschaltung sofort, so dass bei der hier vorliegenden Erfindung eine Wiederaufnahme des Dauerbetriebs der Anlage ohne weitere zusätzliche Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten sofort möglich ist. Wesentlich ist auch, dass mittels der erfindungsgemäßen Lösung eine stabile und nachhaltige Verformung eines Bodens einer Flasche oder Behälter aus Kunststoff, vorzugsweise PET, mit Hilfe von Ultraschall, ohne das ansonsten übliche feste Gegenlager einer Ultraschallanlage, erzeugt wird. In der hier vorliegenden Erfindung, mit der hier offenbarten Anordnung wird das Gegenlager durch die in der Flasche angeordnete Flüssigkeitssäule in Verbindung mit dem Gegendruck der Vorschubeinheit erzeugt, dadurch wird gegenüber dem Stand der Technik, wie beispielsweise dem aus der US 2010/0199611 A1 bekannten Verfahren der Bodenverformung, mit weniger Energieaufwand ein deutlich höherer Innendruck in der Flasche erzielt, so dass die erfindungsgemäß verformten Flaschen eine höhere mechanische Festigkeit für den Transport und den Gebrauch besitzen, und es sogar ermöglichen Flaschen mit einer glatten Außengeometrie, ohne Verstärkungsrillen, mit flachen Flaschenboden zu befüllen, wodurch sowohl der Transport, die Optik der Flaschen wie auch deren Etikettierung deutlich verbessert wird. In der 4 ist nun die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer schematischen Darstellung in der Seitenansicht mit in der Aufnahmeeinheit 5 positionierten PET-Flasche 2 nach der Verformung des Behälterbodens 10 zu sehen. Im Vergleich der 1 mit der 4 wird offensichtlich, dass beim her vorgestellten Verfahren der Behälterboden 10 von einer konvexen zu einer konkaven Geometrie umgeformt wird. Durch diese Umformung des Behälterbodens 10 wird das Volumen des Flascheninhalts reduziert und gleichzeitig bildet sich dabei innerhalb der Flasche ein Überdruck im Bereich von 0,21 bar bis 0,4 bar aus. Gleichzeitig wird zudem, wie in der 5 dargestellt, beim erfindungsgemäßen Umformprozess der heißabgefüllten PET-Flaschen der bei Glasflaschen übliche Flüssigkeits-Füllstand 19, d. h. deren „optisches Füllvolumen” ermöglicht. Dabei ermöglicht die hier vorgestellte Lösung gleichzeitig auch sehr kurze Taktzeiten des Systems. Wenn die Ultraschallsonotrode 13 zusätzlich gekühlt, beispielsweise von Druckluft angeblasen wird, können diese kurzen Taktzeiten nochmals weiter reduziert werden. Gegenüber dem Stand der Technik ist bei der hier vorliegenden Lösung der Energieverbrauch (beispielsweise im Vergleich mit der Lösung nach der US 2010/0199611 A1 mit Temperaturen von bis zu 232°C die auch bei „abgehobenen” Heizstempel gehalten werden müssen) deutlich geringer, da der Ultraschall nur eine sehr kurze Einwirkzeit hat, und sich während der Einwirkung des Ultraschalls auch nur sehr wenig Flüssigkeits-Inhalt als „Kühlmittel” dient, d. h. wenn überhaupt, nur geringfügig erwärmt wird. Zudem besteht ein weiterer Vorteil des Verfahrens auch darin, dass die Flaschen, ähnlich wie bei den Glasflaschen mit einem deutlich höheren Füllvolumen befüllt werden können.
Dabei haben die im Bodenbereich erfindungsgemäß verformten Flaschen. gegenüber den Panelless-Flaschen einen optimalen, flachen Flaschenboden. Bei den anderen im Stand der Technik vorbeschriebenen Methoden der Heißabfüllung in PET-Flaschen und PET-Behälter, muss stets über die Stabilität der Behälterwandung und des Behälterbodens gewährleistet werden, dass keine ungewollten Verformungen auftreten. Dies hat bei den im Stand der Technik vorbeschriebenen Lösungen zwangsläufig stets ein hohes Gewicht der Flasche oder des Behälters zur Folge. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht in diesem Zusammenhang darin, dass mit der hier vorgestellten Lösung gegenüber den klassischen Panel-Flaschen das Flaschengewicht um 20%–40%, und gegenüber den bekannten Panelles-Hotfill-Flaschen (mit Stickstoffzugabe), das Flaschengewicht um ca. 15%–25%, reduziert werden kann, da die durch die Volumenkontraktion der Flüssigkeit, oder auch die Schrumpfung des Kunststoffes verursachte Verformung der Flasche oder des Behälters, mittels der erfindungsgemäßen Lösung wieder auf den Ursprungszustand zurück geführt wird.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Flasche
3: Deckel
4: Inhalt
5: Aufnahmeeinheit
6: Oberteil
7: Aufnahme
8: Deckelaufnahme
9: Zentrierhalterung
10: Behälterboden
11: Mittenachse
12: Druckstempel
13: Ultraschallsonotrode
14: Ultraschallboster
15: Ultraschallkonverter
16: Bodenkegel
17: Gaspolster
18: Flüssigkeitsperle
19: Füllstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2010/0199611 A1 [0026, 0026, 0036, 0037, 0037]

Claims

Vorrichtung (1) zur dauerhaften Umformung von PET-Flaschen (2) oder PET-Behältern nach der Heißabfüllung, mit nach der Heißabfüllung mittels eines Deckels (3) verschlossenen und nachfolgend abgekühlten Flaschen-/Behälter-Inhalt (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung aus einer Aufnahmeeinheit (5) mit einer, an das Oberteil (6) der Flasche/des Behälters angepassten, nach oben offenen stationären Aufnahme (7), einer Deckelaufnahme (8) und einer Zentrierhalterung (9) besteht, in die die PET-Flasche (2)/der PET-Behälter mit nach oben gerichtetem Behälterboden (10) eingesteckt und dabei lagesicher positioniert wird, und dass an der Vorrichtung (1) oberhalb des Behälterbodens (10), dieser in der Aufnahmeeinheit (5) positionierten PET-Flasche (2)/bzw. des PET-Behälters eine, in der Arbeitshöhe entlang der Mittenachse (11) der PET-Flasche (2)/bzw. des PET-Behälters, vertikal und parallel zum Behälterboden (10) axial verfahrbare Vorschubeinheit, der/die Druckstempel (12) mit einer, den durch Gaspolster (17) und Inhalt (4) stabilisierten Behälterboden (10) als Gegenlager nutzende, Ultraschallsonotrode (13) angeordnet ist, deren Formgebung derart ausgeführt ist, dass mit der Verformung des Behälterbodens (10) sich die gemeinsame Berührungsfläche von Behälterboden (10) und Ultraschallsonotrode (13) kontinuierlich deutlich vergrößert.
Vorrichtung (1) zur dauerhaften Umformung von PET-Flaschen (2) oder PET-Behältern nach der Heißabfüllung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Ultraschallsonotrode (13) und dem Druckstempel (12) ein Ultraschallboster (14) und ein Ultraschallkonverter (15) angeordnet sind.
Vorrichtung (1) zur dauerhaften Umformung von PET-Flaschen (2) oder PET-Behältern nach der Heißabfüllung nach Anspruch 1, dass der Druckstempel (12) mit der Ultraschallsonotrode (13) stationär, und die Aufnahmeeinheit (5) mit der positionierten PET-Flasche (2)/bzw. dem PET-Behälter in der Arbeitshöhe entlang der Mittenachse der PET-Flasche (2)/bzw. des PET-Behälters vertikal, und parallel zum Behälterboden (10) verfahrbar in der erfindungsgemäßen Vorrichtung angeordnet sind.
Vorrichtung (1) zur dauerhaften Umformung von PET-Flaschen (2) oder PET-Behältern nach der Heißabfüllung nach Anspruch 1, dass sowohl der Druckstempel (12) mit der Ultraschallsonotrode (13), wie auch die Aufnahmeeinheit (5) mit der positionierten PET-Flasche (2)/bzw. dem PET-Behälter in der Arbeitshöhe entlang der Mittenachse der PET-Flasche (2)/bzw. des PET-Behälters vertikal, und parallel zum Behälterboden (10) verfahrbar in der erfindungsgemäßen Vorrichtung angeordnet sind.
Vorrichtung (1) zur dauerhaften Umformung von PET-Flaschen (2) oder PET-Behältern nach der Heißabfüllung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallsonotrode (13) zusätzlich gekühlt wird.
Vorrichtung (1) zur dauerhaften Umformung von PET-Flaschen (2) oder PET-Behältern nach der Heißabfüllung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeeinheit (5) aus dem Kunststoff POM hergestellt ist.
Verfahren zur dauerhaften Umformung von PET-Flaschen (2) oder PET-Behältern nach der Heißabfüllung, mit nach der Heißabfüllung mittels eines Deckels (3) verschlossenen und nachfolgend abgekühlten Flüssigkeits-Inhalt (4), dadurch gekennzeichnet, dass bei der Heißabfüllung nur so viel Flüssigkeits-Inhalt (4) eingebracht wird, dass deren Füllstand gewährleistet, dass nach Abkühlung bei einer 180° Drehung der Flasche (Kopfstand) ein Gaspolster (17) zwischen der Oberkante des Flüssigkeits-Inhalt (4) und der inneren Geometrie des zu verformenden Behälterbodens (10) gewährleistet ist, dass auf die/den so befüllte und in der Aufnahmeeinheit (5) mit nach oben gerichtetem Behälterboden (10) positionierte PET-Flasche (2) oder PET-Behälter, nach Abkühlung des Flüssigkeits-Inhalt (4), bei gleichzeitiger hochfrequenter Schwingung im Arbeitsbereich von 10 kHz bis 40 kHz die Ultraschallsonotrode (13) mittels des Druckstempels (12), bei einer Einwirkzeit auf den Behälterboden (10) von 0,1 s bis 3 s und einem Anpressdruck von 250 N bis 1 kN so weit verfahren wird, dass durch die bleibende Verformung des Behälterbodens (10) im Innern der PET-Flasche (2)/des PET-Behälters ein Überdruck von 0,21 bar bis 0,4 bar bewirkt wird.