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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Nachkühlen von blasgeformten Kunststoff-Hohlkörpern, die soeben aus der Blasform entnommen wurden und noch restliche Prozesswärme enthalten.
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Beim Blasformvorgang muss ein aus dem extrudierten schlauchförmigen Vorformling erblasener Hohlkörper solange in der Blasform verbleiben, bis das erhitzte Kunststoffmaterial soweit abgekühlt ist und formstabil bleibt, dass der Kunststoff-Hohlkörper ohne Beeinträchtigung seiner geometrischen Abmessungen aus der Form entnommen werden kann.
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Bei der Entnahme des erblasenen Hohlkörpers aus der Blasform weist dieser regelmäßig an seinem oberen und seinem unteren Ende noch die Reststücke (Butzen) des abgequetschten schlauchförmigen Vorformlings auf. Diese Reststücke werden zunächst abgeschert bzw. abgeschnitten und der Hohlkörper wird danach entsprechend nachgekühlt. Gerade entlang der Abquetschnähte ist die Wandung des Hohlkörpers verfahrensbedingt etwas dicker ausgebildet als die normale Wandstärke und macht eine Nachkühlung des Behälteroberbodens und/oder des Unterbodens erforderlich. Auch besondere Ausgestaltungsformen von Kunststoff-Hohlkörpern können in anderen Bereichen ein Nachkühlen und definiertes Abführen von im Hohlkörper verbliebener Restwärme in einer Nachkühleinrichtung erforderlich machen, um ungleichmäßige Materialschrumpfungen zu vermeiden und hohe Maßtoleranzen zu gewährleisten. Blasgeformte Kunststoff-Hohlkörper wie beispielsweise Spundfässer mit angestauchtem, umlaufend massivem Trage- und Transportring und mit in Spundmulden versenkt angeordneten Spundlochstutzen mit Schraubgewinde weisen an derartigen Bauteilen unterschiedliche bzw. größere Materialstärken auf, die entsprechend längere Abkühlzeiten für die Abführung der Prozesswärme benötigen als benachbarte Bereiche mit normaler Wandstärke des Fasskörpers.
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Eine ungleichmäßige und unkontrollierte Abkühlung von Kunststoff-Hohlkörpern kann z. B. zu dem unerwünschten Effekt führen, dass sich der Behälterunterboden oder/und -Oberboden nach innen in das Behälterinnere hineinzieht bzw. „hochzieht“ oder/und sich zusätzlich „verwindet“. Dies kann z. B. für eine störungsfreie Auslauffähigkeit bzw. Restentleerbarkeit von derartigen Verpackungsbehältern sehr nachteilig sein, insbesondere, wenn sie für gefährliche flüssige Füllgüter vorgesehen sind.
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Beim Blasformprozess lassen sich Wanddickenunterschiede grundsätzlich nicht vermeiden. Unterschiede in der Wanddicke treten dabei besonders, aber nicht nur - in der Umgebung der Quetschnähte auf. Die Materialanhäufungen in der Quetschnahtnähe können tatsächlich sehr erheblich sein. Während des Blasformvorganges wird durch die Kühlung der Blasform in guter Näherung an allen Stellen des geformten Hohlkörpers pro Flächeneinheit die gleiche Wärmemenge entzogen. Dadurch sind Wandverdickungen gleichzeitig Stellen höherer Entformungstemperatur, sogenannte „Wärmenester“. Um eine hohe Stückzahl an geblasenen Hohlkörpern aus einer Blasform zu erhalten, ist man bemüht, die Verweilzeit eines Hohlkörpers innerhalb der Blasform so kurz wie möglich zu halten. Die dem eigentlichen Blasformvorgang nachgeschaltete Nachkühlung soll den Hohlkörper formgeführt auf annähernd Raumtemperatur herunterkühlen, ohne dass es dabei durch die infolge von Temperaturunterschieden auftretenden Schrumpfspannungen zu unkontrollierten bzw. unerwünschten Deformationen am Behälter kommt. Wiederum sind es die Materialanhäufungen um die quer über den Oberboden und Unterboden verlaufenden Quetschnähte, die besonders starke Schrumpfungsdeformationen am gefertigten Behälter ergeben. Dabei können diese Deformationen die Gebrauchseigenschaften wie insbesondere die Stapelfähigkeit und die Restentleerbarkeit der Behälter ganz erheblich beeinträchtigen.
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In dem Dokument
DE 196 15 269 A1 ist eine Nachkühlvorrichtung beschrieben, deren Funktionalität mit dem dazugehörigen Verfahren auf der Annahme beruhen, dass die vertikalen Wandungsbereiche eines aus der Blasform entnommenen Kunststoffbehälters im Allgemeinen bereits vollständig abgekühlt bzw. kalt sind und damit keinen wesentlichen weiteren Längenänderungen durch Schrumpf unterliegen. Unter dieser Annahme müssen keine wesentlichen vertikalen Distanzen während der Nachkühlphase durch Bewegung der oberen Kühlplatte kompensiert werden. Diese Annahme trifft beim heutigen Stand der Produktionstechnologie nicht mehr zu. Aufgrund der heute üblichen sehr hohen Ausstoßleistungen mit bis zu 80 Stück/h - in erster Näherung kann hier der Faktor 2 angesetzt werden im Vergleich zu dem Zeitpunkt der Anmeldung der
DE 196 15 269 A (1995 ca. 40 Stück/h) - werden entsprechende Hohlkörper wesentlich heißer entformt, so dass auch die vertikalen Wandungsbereiche aufgrund der hohen Entformungstemperatur einem nicht unerheblichen Schrumpf während der Abkühlphase außerhalb der Blasform unterliegen.
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Die bekannte Ausführung der vertikalen Nachführung der oberen Kühlplatte durch Gewichtauflage funktioniert in der Praxis deshalb nicht, weil
- a) die Abstimmung von Auflagegewicht und Einstellung des Innendruckes während der Nachkühlphase sehr sensibel und nicht ausreichend reproduzierbar ist,
- b) durch Schwankungen der Behälterwanddicke im Rahmen der erlaubten Toleranzen sich unterschiedliche Kraft- und Verformungsverhältnisse am Behälterober- und Unterboden einstellen und somit zu nicht reproduzierbaren und unzulässig abweichenden Behälterabmessungen nach vollständiger Abkühlung führen.
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Bei der bekannten Nachkühlvorrichtung sollte ein Kontakt des Ober- und Unterbodens des abzukühlenden Blasformteiles über ein Ansaugen an eine gelochte bzw. poröse obere und untere Kühlplatte mittels Unterdruck bewirkt werden. Das hat sich in der Praxis nicht durchgesetzt.
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Es sind auch geschlossene Nachkühlformen bekannt, die den blasgeformten Behälter vollständig umschließen. Dabei wird ein hoher Innendruck aufgebracht, um einen hohen Anpressdruck und einen guten Wärmeübergang der Kühlform zum Behälter zu erzielen. Einer gleichbleibend guten Nachkühlwirkung sind hier allerdings Grenzen gesetzt durch das Schrumpfen des Behälters während des Abkühlvorganges und durch das damit verbundene Abheben des Behälters von der Innenwandung der Nachkühlform. Sobald der direkte Kontakt zwischen Behälter und Nachkühlform verloren geht, sinkt der Wärmeübergang und damit die Kühlwirkung auf nahezu Null ab. Wegen dieses Nachteiles haben sich solche geschlossenen Nachkühlformen in der Praxis trotz intensiven Bemühens nicht durchgesetzt. Grundsätzlich ist hierbei zu berücksichtigen, dass die Schrumpfung z. B. eines 220 Liter Spundfasses mit einer Endhöhe von ca. 860 mm während der Nachkühlung eine Längsschrumpfung von nur wenigen mm erfährt. Wenn dabei der Anpressdruck bzw. der Kontakt des Oberbodens zur oberen Kühlplatte nur um ein 10tel mm abnimmt, hat dies eine gravierende Verschlechterung der Nachkühlung zur Folge.
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Aus der Druckschrift
DE 195 32 969 A1 ist eine zangenartige Greifervorrichtung zur Entnahme von kleineren Spritzgussteilen wie Schraubkappen aus der jeweiligen Spritzgussform bekannt, die mit einer Nachkühleinrichtung zum Nachkühlen des Spritzgussteils ausgestattet ist. Dabei wird das Spritzgussteil von der Nachkühleinrichtung umfangsseitig und von unten umschlossen. Die Umschließungsbereiche der Nachkühleinrichtung mit Kontakt zum Spritzgussteil sind jeweils mit einer Membran und einem dahinter angeordneten Druckraum ausgerüstet. Die Druckräume können mit einem Gas oder einer Hydraulikflüssigkeit beaufschlagt werden, wodurch die Membranen an das aufgrund seiner vergleichsweise dicken Wandstärke eine hohe Eigensteifigkeit aufweisende Spritzgussteil gedrückt werden. Mit fortschreitender Abkühlung des Kunststoffmateriales tritt eine Schrumpfung des Spritzgussteils mit Verringerung der Konturabmessungen auf. Diese minimale Reduzierung der Konturabmessungen wird durch eine Druckerhöhung im Druckraum mit Verformung der Membranen in Richtung auf das Spritzgussteil ausgeglichen, so dass immer der gleiche Kraftschluss zwischen den Teilen erhalten und die Kühlwirkung gleichbleibend bestehen bleibt. Insbesondere bei Spritzgussteilen mit Innengewinde ist eine präzise Konturgenauigkeit von hoher Bedeutung. Da diese Nachkühleinrichtung nach oben offen ist, besteht bei höheren Drücken die Gefahr, dass der Kraftschluss in dem umfangsseitigen Umschließungsbereich nicht mehr ausreichend ist und das Spritzgussteil durch die bodenseitige Membran nach oben aus der Nachkühleinrichtung herausgedrückt wird. Für eine Nachkühlung von insbesondere großvolumigen Kunststoff-Hohlkörpern ist eine derartige Nachkühleinrichtung mit Membranen und dahinter angeordneten Druckräumen jedoch nicht geeignet.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Nachkühlung von heiß entformten, blasgeformten Hohlkörpern zur Leistungssteigerung von Blasformanlagen zur Herstellung von insbesondere großvolumigen Industrieverpackungen wie zum Beispiel Fässer, IBC, anzugeben, mit einer besonderen Lösung zur Kompensation der vertikalen Schrumpfung während der Nachkühlphase innerhalb der Nachkühlvorrichtung.
Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt bei der Fertigung von blasgeformten Produkten ist vorrangig die Dauer der Kühlzeit des Produktes innerhalb der Blasform. Wenn es ermöglicht wird, die Produkte mit höherer Prozesswärme aus der Blasform zu entnehmen, ist eine spürbare Erhöhung der Stückzahlen möglich, sofern gewährleistet wird, dass die noch heißen Kunststoff-Produkte in einer Nachkühlvorrichtung kontrolliert und gezielt unter reproduzierbaren Bedingungen abgekühlt werden. Das wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in der erfindungsgemäßen Nachkühlvorrichtung ermöglicht.
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Die Lösung der vorliegenden Erfindung besteht darin:
- - die Nachkühlvorrichtung (NKV) ist mit einer oberen und einer unteren Kühlplatte ausgestattet, die beide konturgetreu zur jeweiligen Behälteroberfläche gefertigt sind, die Kühlung der Platten erfolgt durch ein Kühlmedium, vorzugsweise Wasser;
- - eine der beiden Kühlplatten, vorzugsweise die obere ist vertikal verschiebbar ausgeführt. Die Vertikalbewegung erfolgt mittels eines geeigneten Aktuators, z. B. ein Linearmotor, der pneumatisch oder hydraulisch oder elektrisch oder servo-elektrisch betätigt wird;
- - die vertikale Bewegung und Positionierung der bewegten Kühlplatte kann durch eine geeignete Regelung präzise und reproduzierbar eingestellt werden;
- - die vertikale Position der bewegten Kühlplatte kann während der Nachkühlphase des Behälters präzise und reproduzierbar verändert werden;
- - diese Veränderung der vertikalen Position der bewegten Kühlplatte während der Nachkühlphase kann stufenförmig oder kontinuierlich erfolgen und ist frei einstellbar;
- - zusätzlich zum einstellbaren Innendruck kann während der Nachkühlphase ein kontinuierlicher Spülluftstrom eingestellt werden. Dabei strömt kontinuierlich Luft durch einen der beiden Spüldorne in den Hohlkörper ein und wird durch den zweiten Spüldorn bei einstellbarem Innendruck wieder kontrolliert abgelassen.
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Effekt: Bei der erfindungsgemäßen Nachkühlvorrichtung mit Schrumpfungsausgleich wird der Ober- und Unterboden des Behälters mittels fein einstellbarem Innendruck gegen die jeweiligen Kühlplatten gepresst. Die Oberflächenkonturen der Kühlplatten entsprechen weitestgehend den jeweiligen Oberflächenkonturen des zu kühlenden Hohlkörpers. Ziel ist es, einen gleichbleibend hohen Kontakt zwischen Behälteroberfläche und Kühlplattenoberfläche während der gesamten Nachkühldauer zu gewährleisten, um eine gleichmäßige und effiziente Wärmeabfuhr zu erreichen.
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Der Innendruck wird über Druckluft aufgebaut. In einer weiteren Ausführung kann gleichzeitig ein Luftvolumenstrom eingestellt werden zur Unterstützung der Wärmeabfuhr aus dem Behälterinneren.
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Problem: Der Behälter schrumpft während der Abkühlphase in vertikaler Richtung, das heißt es tritt Schrumpfung an den nicht von den Kühlplatten bedeckten Oberflächen auf. Zum Zeitpunkt t = 0 steht die obere Kühlplatte in Kontakt mit dem Behälter. Ohne weitere Maßnahmen würde zum Zeitpunkt t = 1 der Behälter um ein Maß h 1 in vertikaler Richtung schrumpfen. Als Folge unterbricht der Kontakt der oberen Kühlplatte zur oberen Behälteroberfläche. Die Kühlung wird unwirksam, es kommt zu Verzug im Behälteroberteil und durch den fehlenden Anpressdruck auch im Behälterunterboden. Der Behälter ist qualitativ nicht in Ordnung.
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In bekannten Anwendungen, z. B. der
DE 196 15 269 A1 , wurde die obere Kühlplatte vertikal verschiebbar ausgeführt und mit einem Gewicht belastet. Damit sollte die Platte in vertikaler Richtung die Schrumpfung des Behälters kompensieren und einen dauernden Kontakt zwischen Kühlplatte und Behälteroberfläche gewährleisten. Dabei ist der Anpressdruck während des Nachkühlverfahrens über die frei verschiebbar gelagerte obere Kühlplatte nicht veränder- und anpassbar.
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Vorteile der vorliegenden Erfindung;
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- 1.) durch eine kontinuierliche Kompensation des Behälterschrumpfes während der Nachkühlphase - auch wenn es sich nur um wenige 10tel mm handelt - wird ein stetiger Kontakt zwischen den Nachkühlplatten und den Behälteroberflächen und damit eine effiziente gleichbleibend gute Nachkühlung des Hohlkörpers gewährleistet;
- 2.) gleichzeitig kann die durch die Zustellung der bewegten Kühlplatte auf den Hohlkörper ausgeübte Kraft und die damit verbundenen Deformation des Behälters minimiert werden. Dies führt zu einer Verbesserung der Prozessfähigkeit und damit zum sicheren Einhalten der erlaubten Produktabmessungen; beim Produktwechsel von z. B. einem 8,5 kg Fass auf ein 9,5 kg Fass kann die Nachkühlvorrichtung durch Austausch der zugehörigen Positionierparameter einfach, reproduzierbar und prozesssicher auf das Schrumpfungsverhalten des jeweiligen Produktes angepasst werden. Ein Austausch mechanischer Begrenzungen für den Positionierhub der beweglichen Kühlplatte entfällt.
- 3.) es wird eine höhere Heißentformung und eine Erhöhung der Stückzahlen von großvolumigen Hohlkörpern, wie großvolumige Industrieverpackungen wie Fässer oder IBC, ermöglicht;
- 4.) eine Kompensation der vertikalen Schrumpfung erfolgt durch gesteuerte und/oder geregelte Positionsnachführung mindestens einer der beiden Kühlplatten während des Nachkühlzyklus.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert und beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine erfindungsgemäße Nachkühlvorrichtung in Seitenansicht,
- 2 einen in einen Spundstutzen eingesetzten Spüldorn,
- 3 die Nachkühlvorrichtung gem. 1 bei Kühlbeginn-Zeitpunkt t = 0,
- 4 die Nachkühlvorrichtung gem. 1 bei fortschreitender Kühlung zum Zeitpunkt t = 1,
- 5 die Nachkühlvorrichtung gem. 1 bei weiter fortschreitender Kühlung zum Zeitpunkt t = 2,
- 6 ein Diagramm mit kontinuierlicher Nachregelung der oberen Kühlplatte,
- 7 ein Diagramm mit gestufter Nachregelung der oberen Kühlplatte
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In 1 ist mit der Bezugsziffer 10 eine Nachkühlvorrichtung bezeichnet, die einen Grundrahmen 12 mit oberem Querrahmen 14 aufweist. Im Grundrahmen 12 ist unten eine bodenseitige Kühlplatte 16 angeordnet, auf der ein zu kühlender blasgeformter Kunststoff-Hohlkörper 18 - hier in Gestalt eines Spundfasses - aufgestellt ist. Die Oberfläche der unteren Kühlplatte 16 ist präzise der äußeren Kontur des Unterbodens des Spundfasses angepasst. Am oberen Querrahmen 14 ist mittig ein Linearmotor 20 befestigt, der über eine Hubstange 22 mit einer verschiebbar geführten Befestigungs-Platte 24 verbunden ist. Auf der Unterseite dieser Befestigungsplatte 24 ist eine
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obere Kühlplatte 26 befestigt, die ebenfalls präzise der äußeren Kontur des Oberbodens des Spundfasses angepasst. Die beiden Kühlplatten 16, 26 sind über nicht dargestellte Schläuche an ein Kühlsystem angeschlossen, das die Kühlplatten - die vorzugsweise aus gut Wärme ableitendem Aluminium oder Kupfer gefertigt sind - über eine entsprechende Pumpe mit Kühlflüssigkeit durchströmt und für eine schnelle Abfuhr von Wärmeenergie sorgt. Als Kühlflüssigkeit wird in der Regel kaltes bzw. heruntergekühltes Wasser (z. B. 10 ° C) verwendet, wobei die Wassertemperatur unabhängig von der Umgebungstemperatur konstant auf niedrigem Niveau gehalten wird. Am Gehäuse des Linearmotors 20 bzw. oben auf dem Querrahmen 14 ist eine Höhen-Messeinrichtung 28 angeordnet, die über einen Messfühler analog oder digital z. B. über einen Laser-Entfernungsmesser exakt und präzise die jeweilige veränderbare Höhen-Position der beweglichen Kühlplatte messen kann. Wie in 2 deutlich erkennbar ist, wird die obere Kühlplatte 26 von zwei Spüldornen 30 durchdrungen, die passgenau in die beiden Spundstutzen 32 des Spundfasses eintauchen und über einen Dichtungsring 34 gasdicht abgedichtet sind.
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Wie in 3 angedeutet ist, sind die Spüldorne 30 über Druckluftleitungen mit einem regelbaren Druckluftsystem verbunden, das ausreichend Druckluft zur Verfügung stellt. In den Druckluftleitungen ist eingangsseitig und ausgangsseitig bzw. kurz vor und hinter den Spül- oder Kühldornen jeweils ein Verstellventil 36, 38 mit Druckmesseinrichtung eingebaut. Der Linearmotor 20 mit Hubstange 22, die Höhen-Messeinrichtung 28 und die Verstellventile 36, 38 mit Druckmesseinrichtung sind über Elektrokabel mit einem nicht näher dargestellten Steuergerät (z. B. Personal-Computer = PC) verbunden. Des weiteren kann die Pumpe des Wasser-Kühlsystems sowie der Kompressor der Druckluftleitung mit dem Steuergerät (PC) verbunden sein. Zweckmäßigerweise sind auch jeweils entsprechende Thermomessfühler im Eingangs- und Ausgangsbereich der NKV angeordnet, um die Eingangs- und Ausgangstemperatur des Kühlwassers und der Spülluft zu messen und aufzuzeichnen. Die Thermomessfühler sind ebenfalls an das Steuergerät (PC) angeschlossen. Über die Hubstange 22 kann im Linearmotor 20 der Anpressdruck der oberen Kühlplatte 26 auf den Fassoberboden gemessen und konstant gehalten werden.
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Funktionsweise :
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In den Zeichnungen sind zur Veranschaulichung vier Funktions-Positionen der Nachkühlvorrichtung (NKV) dargestellt, wobei 1 die Grundposition zeigt, in welcher ein gerade frisch aus der Blasform entnommenes und noch sehr heißes Spundfass eingestellt worden ist, das nun gekühlt werden soll. Danach wird die obere Kühlplatte 26 mitsamt der Befestigungsplatte 24 über die Hubstange 22 des Linearmotors 20 (= Aktuator) nach unten gefahren, so wie man es in 3 erkennen kann, bis die beiden Spüldorne 30 in die Öffnungen der beiden Spundstutzen 32 eingreifen und über die Dichtungsringe 34 gasdicht abschließen. Dies stellt den Messzeitpunkt t = 0 und die Höhenmessung h 0 dar. Sodann wird das Kühlmedium z. B. heruntergekühlte Luft (Kaltluft 10° C) durch das Spundfass geleitet. Mit fortschreitender Abkühlung des Kunststoffmateriales des Fasskörpers setzt die Schrumpfung in Längsrichtung ein - siehe 4 - und nach einer kurzen Zeitspanne t = 1 wird die obere Kühlplatte 26 mittels des Linearmotors 20 um ein kleines Stückchen h 1 nach unten gefahren, bis der vorgegebene Anpressdruck der Kühlplatte 26 auf dem Fassoberboden erreicht ist. Nach weiterer Kühlung und gleichzeitiger Schrumpfung ist in der Darstellung in 5 die obere Kühlplatte 26 nach einer weiteren kurzen Zeitspanne t = 2 wieder ein kleines Stück h 2 nach unten gefahren worden. Diese Anpassung der vertikalen Position der präzise verfahrbaren Kühlplatte 26 während der Nachkühlphase kann bei konstant eingestelltem Überdruck im Fassinneren kontinuierlich - wie in dem Diagramm in 6 dargestellt ist - oder stufenförmig z. B. mit konstanter Zeittaktung erfolgen - wie in dem Diagramm in 7 dargestellt ist - und ist frei einstellbar. Durch Programmierung einer entsprechenden Software kann für verschiedene zu kühlende Blasformteile (z. B. große Fässer, kleine Fässer) ein entsprechendes Kühlprogramm erstellt und im Bedarfsfalle sofort eingesetzt werden.
Zur Erhöhung der Kühlwirkung wird über die Regelventile in der Druckluftleitung im Hohlkörper (Spundfass) ein konstanter Überdruck in Höhe von ca. 0,1 bis 1 bar bei gleichzeitigem kontinuierlichem Durchfluss von Spülluft eingestellt.
Mit dieser erfindungsgemäß ausgestalteten Nachkühlvorrichtung sind blasgeformte Hohlkörper unter Berücksichtigung von unvermeidbarer Schrumpfung und Verhinderung von unerwünschtem Verzug einzelner Bauteilbereiche in qualitativ hochwertiger und leistungssteigernder Weise herstellbar.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Nachkühlvorrichtung
- 12
- Grundrahmen
- 14
- oberer Querrahmen
- 16
- bodenseitige Kühlplatte
- 18
- Hohlkörper
- 20
- Linearmotor
- 22
- Hubstange
- 24
- Befestigungs-Platte
- 26
- obere Kühlplatte
- 28
- Höhen-Messeinrichtung
- 30
- Spüldorne
- 32
- Spundstutzen
- 34
- Dichtungsring
- 36
- Verstellventil mit Druckmesseinrichtung
- 38
- Verstellventil
