DE102015208956A1

DE102015208956A1 - Formfüllmaschine

Info

Publication number: DE102015208956A1
Application number: DE102015208956.8A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Lappe; Kai-Uwe Dreger; Jochen Krueger; Martin Wagner
Original assignee: Krones AG
Current assignee: Krones AG
Priority date: 2015-05-15
Filing date: 2015-05-15
Publication date: 2016-11-17

Abstract

Formfüllmaschine mit einem drehbaren Karussell, an dem Formfüllstationen mit einer Form zum Aufnehmen von Vorformlingen und zum Ausformen und Füllen von Behältern angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Form um eine tangential zur Rotationsrichtung des Karussells verlaufende Achse schwenkbar angeordnet ist, sodass einer durch Fliehkräfte bewirkten Verschiebung des Flüssigkeitsspiegels im Behälter und/oder Vorformling entgegengewirkt werden kann. Eine Formfüllmaschine mit einer Form, deren Längsache einen Winkel mit der Rotationsachse des Karussells einschließt und ein Verfahren zum Herstellen von Behältern mit einer formfüllmaschine.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Formfüllmaschine gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 und Oberbegriff des Anspruchs 7, sowie ein Verfahren zum Herstellen von Behältern mittels einer Formfüllmaschine gemäß Oberbegriff des Anspruchs 9.
Stand der Technik
Formfüllmaschinen sind aus dem Stand der Technik bekannt. In Formfüllmaschinen werden Vorformlinge, beispielsweise aus PET, zu Behältern ausgeformt und ein flüssiges Medium in den Vorformling oder den Behälter eingefüllt. Dabei kann das flüssige Medium, etwa das Produkt, bereits zum Ausformen des Vorformlings zu einem Behälter in den Vorformling eingeleitet werden oder nach dem Ausformen des fertigen Behälters in diesen eingeleitet werden. Dabei findet das Ausformen des Vorformlings zum Behälter und das Befüllen in der Form einer Formfüllstation der Formfüllmaschine statt.
Aufgrund der hohen Rotationsgeschwindigkeit von als Karussell ausgebildeten Formfüllmaschinen wirken auf die Vorformling und/oder Behälter aber auch auf die eingebrachten Flüssigkeiten erhebliche Kräfte. Dadurch kann es zu unerwünschten Verformungen beim Ausformen des Behälters aber auch zu Überlaufen von eingefüllter Flüssigkeit kommen.
Aufgabe
Ausgehend vom bekannten Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Formfüllmaschine und ein Verfahren zum Herstellen von Behältern mit einer Formfüllmaschine anzugeben, mit dem ein gleichmäßiges Ausformen der Vorformlinge zu Behältern und ein zuverlässiges Füllen erfolgen kann.
Lösung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Formfüllmaschine nach Anspruch 1 und Anspruch 7 sowie das Verfahren nach Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen erfasst.
Eine erfindungsgemäße Formfüllmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass die Form um eine tangential zur Rotationsrichtung des Karussells verlaufende Achse schwenkbar angeordnet ist, so dass einer durch die Fliehkraft bewirkten Verschiebung des Flüssigkeitsspiegels im Behälter und/oder Vorformling entgegengewirkt werden kann. Darunter ist zu verstehen, dass die Form beim Drehen des Karussells zumindest annähernd in Richtung der Gesamtkraft aus Erdanziehungskraft und Fliehkraft ausgerichtet wird. So wird erreicht, dass der Flüssigkeitsspiegel im Behälter möglichst so verläuft, als würde die Flüssigkeit in einen ruhenden, nur unter dem Einfluss der Erdanziehungskraft stehenden Behälter eingefüllt werden. Dadurch kann ein Überlaufen bzw. Überschwappen der Flüssigkeit aus dem Behälter vermieden werden. Eine vollständige Kompensation der Verschiebung des Flüssigkeitsspiegels ist dabei nicht zwingend. Erfindungsgemäß genügt eine Kompensation derart, dass ein Auslaufen von Flüssigkeit zu jedem Zeitpunkt des Füllvorgangs und insbesondere bei jedem vorgesehenen Füllstand des Behälters vermieden werden kann.
Es kann vorgesehen sein, dass die Form so angeordnet ist, dass sie allein durch die auf die Form wirkenden Kräfte verschwenkt werden kann. Der Winkel, unter dem die Form verschwenkt wird, kann so automatisch auch in Abhängigkeit sich ändernder Rotationsgeschwindigkeit eingestellt und eine korrekte Ausrichtung der Form entsprechend der wirkenden Kräfte realisiert werden.
Alternativ kann eine Vorrichtung, wie beispielsweise ein Motor oder eine Steuerkurve, zum Unterstützen der Verschwenkung vorgesehen sein. Da sich der Flüssigkeitsspiegel abhängig von der auf die Flüssigkeit wirkenden Erdanziehungskraft und der Fliehkraft einstellt, auf die Form jedoch eine andere Gesamtkraft wirkt, kann die Verschwenkung der Form allein aufgrund der auf sie einwirkenden Kräfte ggf. nicht ausreichend sein, um eine Kompensation der Verschiebung des Flüssigkeitsspiegels zu erreichen. Daher kann zusätzlich vorgesehen sein, dass die Form unterstützend so verschwenkt wird, dass die Verschiebung des Flüssigkeitsspiegels möglichst vollständig kompensiert wird.
Ferner kann eine Arretiervorrichtung vorgesehen sein, die die Form parallel zur Rotationsachse des Karussells arretieren kann. Insbesondere bei der Übergabe oder Übernahme von Vorformlingen oder Behältern ist dies vorteilhaft. Übergabeeinrichtungen oder Übernahmeeinrichtungen müssen so nicht neu konzipiert werden und können in bekannter Weise Vorformlinge oder Behälter übergeben bzw. übernehmen.
Es kann weiterhin ein Verschließer vorgesehen sein, der den befüllten Behälter in der verschwenkten Form verschließen kann. Nach Verschließen des Behälters kann so ohne die Gefahr von auslaufender Flüssigkeit eine Rückführung der Form in eine beispielsweise zur Rotationsachse des Karussells parallele Ausrichtung erfolgen.
In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist die Verschließerdrehachse oder eine Stanzachse des Verschließers schräg bezüglich der Rotationsachse des Karussells angeordnet. Die Stanzachse spielt beim Aufbringen eines Kronkorkens auf die Flasche eine Rolle, während die Verschließerdrehachse beim Aufbringen eines Schraubverschlusses vorgesehen ist. Der Verschließer kann dabei entweder zusammen mit der Form oder entsprechend der Form verschwenkt werden oder bereits in verschwenkter Position angeordnet sein.
Weiterhin kann die Formfüllstation einen Füllstutzen zum Einbringen eines flüssigen Mediums in den Vorformling in der Form umfassen, wobei der Füllstutzen schwenkbar angeordnet ist. Da die Flüssigkeit beim Ausformen des Vorformlings unter Druck in diesen eingebracht wird, kann so weiterhin Gefahr von umher spritzender Flüssigkeit reduziert werden.
Eine weitere erfindungsgemäße Formfüllmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass die Form fest an dem Karussell angeordnet ist, sodass die Längsachse der Form einen Winkel mit der Drehachse des Karussells einschließt. Dabei kann der Winkel so gewählt werden, dass er dem Winkel entspricht, unter dem sich der Flüssigkeitsspiegel bei üblicherweise verwendeten Rotationsgeschwindigkeiten des Karussells einstellt. Zusätzliche, beweglich ausgebildete Bauteile zum Einstellen des Winkels der Form können so entfallen.
Es kann vorgesehen sein, dass der Winkel zwischen der Längsachse der verschwenkten Form und der Rotationsachse des Karussells zwischen 0° und 90°, bevorzugt 35° bis 80°, besonders bevorzugt 50° bis 75° beträgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen von Behältern ist dadurch gekennzeichnet, dass während einer Füllphase ein flüssiges Medium in den Vorformling oder den Behälter eingebracht und die Form während der Füllphase um eine tangential zur Rotationsrichtung des Karussells verlaufende Achse verschwenkt wird, sodass einer durch die Fliehkraft bewirkten Verschiebung des Flüssigkeitsspiegels im ausgeformten Behälter und/oder Vorformling entgegengewirkt wird. Auslaufen von Flüssigkeit während des Befüllens, sowie ein zu niedriger Flüssigkeitsspiegel aber auch unerwünschte Verformungen des Behälters oder Vorformlings während des Ausformens können so vermieden werden.
Das in den Behälter eingefüllte, flüssige Medium kann das in den Behälter einzufüllende Produkt sein. Das Ausformen und anschließende Befüllen des Behälters können so in einem einzigen Schritt erfolgen.
In einer Ausführungsform kann das Verschwenken der Form allein durch die auf die Form einwirkenden Kräfte während der Rotation des Karussells bewirkt werden oder durch eine Vorrichtung, beispielsweise einen Motor oder eine Steuerkurve, unterstützt werden. Eine möglichst vollständige Kompensation der durch die Fliehkraft bewirkten Verschiebung des Flüssigkeitsspiegels kann so erzielt werden.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die befüllten Behälter in der Form durch einen Verschließer verschlossen werden. Flüssigkeit kann anschließend nicht mehr auslaufen, sodass eine Änderung der Ausrichtung der Form nicht mehr zu einem Verschütten oder Auslaufen von Flüssigkeit führen kann.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Form während einer Ausformphase und/oder während einer Übergabephase parallel zur Rotationsachse des Karussells ausgerichtet ist. Die Form kann so geeignet in Position gebracht werden, um den Vorformling aus einer vorangestellten Vorrichtung zu übernehmen oder den ausgeformten und befüllten Behälter an weitere Vorrichtungen zu übergeben. Erfolgt das Ausformen des Vorformlings zum Behälter nicht durch Einleiten eines flüssigen Mediums, so ist ein Verschwenken der Form während dieser Phase zwar nicht notwendig, kann aber vorteilhaft sein, um eine Zeitersparnis zu erzielen. So kann das Verschwenken in einem dem Befüllen vorangehenden Prozessschritt (beispielsweise dem Ausformen) erfolgen, sodass das Befüllen des Behälters bereits bei verschwenkter Form beginnen kann.
Ferner kann der Winkel zwischen der Form (103) und der Rotationsachse des Karussells (101) maximal sein, wenn ein Füllstutzen nach Beenden eines Füllvorgangs während der Füllphase vom Behälter entfernt wird und optional der Winkel zwischen der Form (103) zur Rotationsachse R im Moment der Abnahme des Füllstutzens von der Flasche so gewählt werden, dass eine der Halbgeraden in Richtung der resultierenden Kraft zeigt.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Formfüllmaschine
2a–d schematische Darstellung einer Formfüllmaschine mit einer Vorrichtung zur Unterstützung der Verschwenkung gemäß zweier Ausführungsformen (2a und 2b) und schematische Darstellung einer Arretiervorrichtung (2c) und Ausführungsform einer Form mit Zusatzgewichten (2d)
3 schematische Seitenansicht einer Formfüllmaschine gemäß einer Ausführungsform mit Füllstutzen
4 schematische Seitenansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Formfüllmaschine mit fest angeordneten Formfüllstationen
Ausführliche Beschreibung
1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Formfüllmaschine 100. Diese umfasst ein um eine Rotationsachse R drehbares Karussell 101. An der Peripherie des Karussells sind mehrere Formfüllstationen 102 angeordnet. Die Formfüllstationen umfassen dabei jeweils wenigstens eine Form 103, in die ein Vorformling eingebracht werden kann. In der Form 103 wird der Vorformling dann zu einem Behälter ausgeformt und noch in der Form befüllt. Dabei kann das Befüllen während des Ausformens erfolgen. Alternativ kann der Vorformling in der Form zunächst durch ein Streckblasverfahren zu einem Behälter ausgeformt und anschließend in der Form befüllt werden.
Die Form 103 der Formfüllstation 102 kann beispielsweise mit einer Halterung 104 mit dem Karussell 101 verbunden sein. An dieser Halterung 104 können auch weitere Bestandteile der Formfüllstation, wie beispielsweise eine in die Form einfahrbare Reckstange oder Ähnliches angeordnet sein.
Die Form ist erfindungsgemäß um eine Achse, die tangential zur Rotationsrichtung des Karussells verläuft, schwenkbar am Karussell angeordnet. Dazu kann die Form 103 oder die Halterung 104 mit einem Lager 106 und einer darin verlaufenden Achse 105 verbunden sein. Die Achse 105 kann in dem Lager drehbar gelagert sein, sodass die mit der Achse verbunden Form verschwenkt werden kann, wie durch den Doppelpfeil an der Achse 105 angedeutet.
Die Verschwenkung ist dabei derart vorgesehen, dass die Form bezüglich der Rotationsachse R des Karussells 101 um einen Winkel verschwenkt werden kann, sodass eine Verschiebung des Flüssigkeitsspiegels 131 eines in der Form sich befindenden Vorformlings 130 oder Behälters, die durch die auf die Flüssigkeit wirkenden Kräfte bewirkt wird, kompensiert werden kann, sodass sich Behälter 130 und Flüssigkeitsspiegel 131‘, wie in der gestrichelten Figur dargestellt, relativ zueinander ausrichten.
Die Verschiebung des Flüssigkeitsspiegels wird im Wesentlichen durch die auf die in den Vorformling oder Behälter eingebrachte Flüssigkeit einwirkende Gewichtskraft und Zentripetalkraft bestimmt. Bei gegebener Winkelgeschwindigkeit ω und Masse m der Flüssigkeit, sowie Abstand r zur Rotationsachse R des Karussells 101 stellt sich der Flüssigkeitsspiegel im Behälter senkrecht zu der insgesamt auf die Flüssigkeit einwirkenden Kraft, also senkrecht zu F ⇁ = F ⇁_G – F ⇁_Z = mg → + mω²rr → (1), mit r → als dem Einheitsvektor in Radialrichtung von der Rotationsachse R des Karussells aus, ein. Um dies zu kompensieren, bzw. dem entgegenzuwirken, wird die Form erfindungsgemäß so verschwenkt, dass ihre Längsachse L, die der Längsachse eines in der Form angeordneten Vorformling oder Behälters entspricht bzw. parallel zu dieser verläuft, annähernd parallel zur Kraft F → ist. Dabei ist unter „annähernd“ zu verstehen, dass die Ausrichtung der Längsachse des Behälters in der verschwenkten Form zumindest so erfolgt, dass ein Überlaufen von Flüssigkeit während und nach dem Füllvorgang vermieden wird. Dazu muss die Längsachse L der Form nicht exakt parallel zur Kraft F → verlaufen. In jedem Fall schließt die Längsachse L einen Winkel mit der Rotationsachse R ein. Im Behälter stellt sich dann ein Flüssigkeitsspiegel ein, der so verläuft, als würde der Behälter ausschließlich unter dem Einfluss der Schwerkraft stehen (siehe gestrichelte Darstellung in 1). Ein unerwünschtes überlaufen von Flüssigkeit während des Befüllens des Vorformling und/oder Behälters kann so vermieden werden.
Während es zum Ausgleichen der durch die einwirkenden Kräfte bewirkten Verschiebung des Flüssigkeitsspiegels ausreicht, wenn die Form mit dem darin eingebrachten Vorformling oder Behälter entsprechend verschwenkt wird, kann auch vorgesehen sein, dass die gesamte Formfüllstation gegenüber dem Karussell schwenkbar angeordnet ist. Dies wird genauer in 3 beschrieben. Während im Folgenden das Verschwenken der Form diskutiert wird, kann darunter auch das Verschwenken der gesamten Formfüllstation verstanden werden. An den grundlegenden Prinzipien und der technischen Realisierung ändert sich dadurch nichts.
Das Verschwenken der Form um die Achse 105 kann entweder allein aufgrund der auf die Form einwirkenden Kräfte erfolgen oder durch zusätzliche Vorrichtungen unterstützt werden. Erfolgt das Verschwenken allein aufgrund der auf die Form einwirkenden Kräfte, sollte gewährleistet werden, dass der Abstand des Schwerpunkts der Form zur Rotationsachse R möglichst gleich dem Abstand des Schwerpunktes der in dem Behälter oder Vorformling befindlichen Flüssigkeit ist. Andernfalls wird sich die Form unter einem anderen Winkel bezüglich der Rotationsachse einstellen, sodass eine Kompensation der Verschiebung des Flüssigkeitsspiegels im Behälter nur teilweise erreicht werden kann. Dabei wird unter dem Winkel, den die Form bezüglich der Rotationsachse einnimmt, der Winkel verstanden, den die Längsachse L der Form mit der Rotationsachse R einschließt.
Der Schwerpunkt des Flüssigkeitsspiegels verläuft im Allgemeinen auf der Längsachse des in der Form befindlichen Vorformlings oder Behälters. Die Gewichtsverteilung der Form kann daher so konzipiert werden, dass deren Schwerpunkt ebenfalls im Wesentlichen auf der Längsachse eines in die Form eingebrachten Behälters verläuft. Dazu können auch für die Funktion der Form nicht notwendige Zusatzgewichte an der Form angebracht werden, um den Schwerpunkt zu definieren. Dies ist genauer in 2d beschrieben.
2a zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Formfüllmaschine. In dieser Ausführungsform ist eine Vorrichtung 210 vorgesehen, die das Verschwenken der Form 103 um die Achse 105 unterstützen kann. Die Vorrichtung 210 umfasst eine der Formfüllstation zugeordnete und an dem Karussell angebrachte Antriebseinheit 212. Diese ist mit der Formfüllstation mitdrehend am Karussell angeordnet. Die Vorrichtung umfasst weiterhin einen Schieber 213, der entsprechend des dargestellten Doppelpfeils in radialer Richtung mit Bezug auf die Rotationsachse R des Karussells durch die Antriebseinheit 212 bewegt werden kann.
Der Schieber 213 greift an der Form 103 an. Dazu kann eine Führung 211 vorgesehen sein, mit der der Schieber 213 beweglich verbunden ist. Durch Herausfahren des Schiebers 213 wird die Form um die Achse 105 verschwenkt. Der Schieber 213 gleitet dabei an der Führung 211 entlang und kann dazu beispielsweise über ein Gelenk mit der Antriebseinheit 212 verbunden sein.
Die Antriebseinheit kann ein Elektromotor, insbesondere ein Stellantrieb sein, der separat angesteuert werden kann, sodass das Verschwenken der Form gesteuert werden kann. Dies kann auch in vorteilhafter Weise genutzt werden, um beispielsweise Änderungen der Lage des Schwerpunkts während dem Befüllen des Vorformlings oder des Behälters und eine damit verbundene Verschiebung des Flüssigkeitsspiegels zu kompensieren, indem der Winkel, um den die Form um die Achse 105 verschwenkt ist, entsprechend angepasst wird. Auch kann so die durch die Masse der gesamten Form bedingte Trägheit gegenüber dem Verschwenken kompensiert werden, sodass eine möglichst schnelle Einstellung des gewünschten Winkels erzielt wird. Weiterhin erlaubt die Steuerbarkeit der Antriebseinheit 212 auch in situ Anpassungen bei sich während des Betriebs, beispielsweise auch unerwartet, ändernden Bedingungen.
2b zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der anstelle des Antriebs eine Steuerkurve 220 verwendet wird. Diese Steuerkurve ist an einem nicht mit dem Karussell mit drehenden Teil 223 der Formfüllmaschine 100 angeordnet. Dazu können beispielsweise Verbindungen 224 genutzt werden. Die Steuerkurve kann dabei lösbar mit den Verbindungen und/oder dem Teil 223 verbunden sein, sodass sie bei Bedarf auch ausgetauscht werden kann.
Die Steuerkurve läuft um das gesamte Karussell herum und ist bevorzugt so geformt, dass sie durch eine glatte, geschlossene Kurve parametrisiert werden kann, die in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse R verläuft. Dabei können die Abstände der Steuerkurve zur Rotationsachse des Karussells in radialer Richtung variieren, sodass beispielsweise unterschiedliche Abstände d₁ und d₂ erreicht werden.
An der Form 103 ist in dieser Ausführungsform eine Steuerrolle 221 angebracht. Die Steuerrolle 221 kann beispielsweise mittels eines Federelements gegen die Steuerkurve vor gespannt werden, sodass sie bei Drehung des Karussells und Umlauf der Form 103 um die Steuerkurve stets mit der Steuerkurve in Berührung steht.
Der Abstand d der Achse 105 zur Rotationsachse R ist festgelegt. Dieser kann beispielsweise 1,5m oder 2m oder mehr betragen und hängt vom Radius des Karussells ab. Prinzipiell ist hier, abhängig vom Radius des Karussells und der Ausbildung der Formfüllstation jeder Abstand d denkbar. Da sich der Abstand der Steuerkurve in radialer Richtung entlang des Umfangs des Karussells ändert, ändert sich bei Umlauf der Form 103 um das Karussell dabei auch der Abstand der Form zur Rotationsachse des Karussells im Bereich der Steuerkurve. Die Höhe sowie gegebenenfalls die Ausrichtung der Steuerkurve müssen dabei ebenfalls angepasst werden. Der Abstand zwischen der Schwenkachse 105 und der Steuerrolle 221 beträgt den konstanten Wert L. Beim Umlauf der Form 103 um die Rotationsachse schwenkt die Form 103 um den Winkel α aus. Dieser kann wie folgt berechnet werden: α = arcsin( d(β) – d / L)
Dabei ist d(β) der Abstand der Steuerkurve zur Rotationsachse abhängig vom Drehwinkel des Karussells. So kann auf konstruktiv einfache Weise für Formfüllmaschinen, die stets mit den gleichen Formen betrieben werden und die gleiche Art von Behältern befüllen, eine zuverlässige Einstellung des Winkels, unter dem die Form gegenüber der Rotationsachse verschwenkt wird, erzielt werden. Weiterhin ist, wenn die Verbindung der Steuerkurve mit dem Karussell lösbar ist, eine Anpassung der Steuerkurve beispielsweise an unterschiedliche Formen oder andere zu befüllende Behälter möglich. Allerdings ist eine in situ Anpassung an sich während des Betriebs verändernde Betriebsparameter mit dieser Steuerkurve nicht möglich.
Um die Steuerrolle 221 in der Steuerkurve 220 möglichst sicher zu lagern, kann die Steuerkurve ein C-Profil aufweisen, in dem die Rolle gelagert werden kann.
Mit einer nach außen hin offenen Steuerkurve ist jedoch eine Steuerung des Winkels α nur derart möglich, dass ein Winkel eingestellt wird, der größer ist als der Winkel, unter dem sich die Form 103 von selbst unter Einwirkung der Erdanziehungskraft und der Fliehkraft einstellen würde. Es kann jedoch wünschenswert sein, die Form während bestimmter Prozessphasen unter einem kleineren Winkel, beispielsweise parallel zur Rotationsachse des Karussells (α = 0°), auszurichten. Um dies zu erreichen, kann die Steuerkurve ein u-förmiges Querschnittsprofil aufweist, wobei in die Senke die Steuerrolle eingebracht werden kann, sodass die Bewegung der Steuerrolle entlang der Steuerkurve die Form in eine bestimmte Ausrichtung zwingen kann.
Ebenso ist es bei entsprechender Ausgestaltung der Lagerung der Rolle denkbar, dass die Steuerkurve in einem Bereich als C-Profil und in einem anderen Bereich als u-Profil ausgebildet ist. Dies erlaubt sowohl eine Auslenkung in einem Winkel, der größer ist als der Winkel, unter dem sich die Form 103 von selbst unter Einwirkung der Erdanziehungskraft und der Fliehkraft einstellen würde als auch eine Auslenkung in einem Winkel, der kleiner ist. Der Bereich der Steuerkurve mit einem C-förmigen Querschnitt kann dabei vorgesehen sein, um die Form um einen Winkel auszulenken, der größer ist als der Winkel, unter dem sich die Form aufgrund der auf sie einwirkenden Kräfte ausrichtet. Der u-förmige Bereich kann genutzt werden, um die Form in eine Ausrichtung zu zwingen, in der sie einen Winkel mit der Rotationsachse einschließt, der kleiner ist, als der Winkel unter dem sie sich aufgrund der auf sie einwirkenden Kräfte ausrichtet.
Für die Übernahme eines Vorformlings aus einer Zuführeinrichtung, wie beispielsweise ein Drehstern, oder für die Übergabe des befüllten Behälters an weitere Einrichtungen ist es vorteilhaft, wenn die Form parallel zur Rotationsachse ausgerichtet ist. Dazu kann eine Arretiervorrichtung 230, wie sie in 2c dargestellt ist, vorgesehen sein, die die Form 103 in einer bestimmten Ausrichtung (insbesondere unter einem bestimmten Winkel) relativ zur Rotationsachse R des Karussells arretiert bzw. hält. Die Arretiervorrichtung kann, wenn nur die Form gegenüber dem Karussell verschwenkbar ist, die Formfüllstation als Ganzes jedoch nicht, als Teil der Formfüllstation ausgebildet sein. Ist die gesamte Formfüllstation schwenkbar oder ist diese Ausbildung nicht wünschenswert, so kann die Arretiervorrichtung der Formfüllstation, bzw. der Form zugeordnet, aber an einem anderen Teil des Karussells angeordnet sein.
Die Arretiervorrichtung kann als Klammer 232 ausgebildet sein, die einen Teil der Form oder der Formfüllstation umgreifen kann und diese so gegen ein Verschwenken arretiert. Um den normalen Betrieb, insbesondere das Verschwenken der Form nicht zu behindern, wenn keine Arretierung erforderlich ist, kann die Arretiervorrichtung einen Antrieb 231 umfassen, der die Klammer 232 beispielsweise entlang des dargestellten Doppelpfeils zum Arretieren auf die Form zu und zum Freigeben von der Form weg bewegen kann. Weiterhin kann das Öffnen und Schließen der Klammer 232 mit dem Antrieb 231 gesteuert werden.
Anstelle einer Klammer kann die Arretiervorrichtung auch ein Paar von Magneten, insbesondere Elektromagneten umfassen, wobei einer der Magnete an dem Karussell oder der nicht verschwenkbaren Formfüllstation und der andere Magnet an der Form selbst angeordnet ist. Bei Ausbildung der Magnete als Elektromagnete kann dann über die Stromzufuhr geregelt werden, ob eine Arretierung der Form oder der Formfüllstation erfolgt.
Um die Verschwenkung der Form 103 allein aufgrund der auf sie einwirkenden Kräfte so zu gestalten, dass eine Verschiebung des Flüssigkeitsspiegels im Behälter möglichst vollständig kompensiert wird, können Zusatzgewichte 240 an der Form 103 angebracht werden, um die Lage des Schwerpunktes zu verändern. Während prinzipiell die Form bereits so hergestellt werden könnte, dass ihr Schwerpunkt auf der Längsachse eines in die Form eingebrachten Vorformlings oder Behälters verläuft, kann dies konstruktive Probleme mit sich bringen. Daher können Zusatzgewichte 240 an der Außenseite der Form 103 angebracht werden, die so positioniert sind, dass die Lage des Schwerpunktes der Form 103 möglichst nahe, bevorzugt auf der Längsachse L eines in der Form befindlichen Behälters liegt. Die maximale Abweichung beträgt dabei vorzugsweise 0,5 cm bis 1 cm. Sie kann aber auch, insbesondere unter dem Gesichtspunkt, dass keine vollständige Kompensation der Verschiebung des Flüssigkeitsspiegels erforderlich ist, sondern nur ein Überlaufen der Flüssigkeit effektiv verhindert werden muss, größer sein, beispielsweise 2cm oder 3cm.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Zusatzgewichte beweglich an der Form angeordnet sind. So kann bei einer Änderung der Lage des Schwerpunkts der eingefüllten Flüssigkeit eine entsprechende Änderung der Position der Zusatzgewichte zur Veränderung der Lage des Schwerpunkts der Form realisiert werden. Damit kann der Winkel, unter dem sich die Form beim Verschwenken allein aufgrund der auf sie wirkenden Kräfte einstellt, möglichst so bestimmt werden, dass die Verschiebung des Flüssigkeitsspiegels in dem Behälter oder Vorformling fast vollständig, bevorzugt vollständig kompensiert wird.
Neben den Zusatzgewichten 240 zur Einstellung der Lage des Schwerpunkts können auch Zusatzgewichte 250 an der Maschine vorgesehen sein, die eine Unwucht aufgrund zeitweise verschwenkter Formen durch eine entsprechende Gegenbewegung kompensieren, sodass keine Beschädigungen der Formfüllmaschine auftreten. Dazu kann für jede Formfüllstation ein Zusatzgewicht 250 auf der gegenüberliegenden Seite des Karussells angeordnet sein, das das zusätzliche Drehmoment aufgrund einer Verschwenkung kompensiert. Das Zusatzgewicht ist dazu vorzugsweise in radialer Richtung mit Bezug auf die Rotationsachse R des Karussells beweglich, wie dies durch den Doppelpfeil angedeutet ist.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der bevorzugt die Formfüllstation 102 als Ganzes verschwenkt werden kann. Die Formfüllstation umfasst dabei nicht nur die Form 103, sondern weiterhin einen Füllstutzen 341 der entlang einer Führung 342 in einen in der Form befindlichen Vorformling oder Behälter eingeführt oder aus diesem herausgezogen werden kann. Der Füllstutzen 341 kann genutzt werden, um den Behälter zu füllen. In dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Füllstutzen 341 zusammen mit der Form verschwenkt werden kann. So wird sichergestellt, dass auch die Eingabe der Flüssigkeit durch den Füllstutzen in den Vorformling oder Behälter bei Rotation des Karussells so erfolgen kann, als würde ein Befüllen eines stillstehenden Behälters nur unter dem Einfluss der Schwerkraft erfolgen.
Alternativ zu dem Füllstutzen kann auch eine Reckstange mit der Form verschwenkbar bereitgestellt werden, die bei verschwenkter Form in den darin positionierten Behälter oder Vorformling eingeführt werden und ein Verstrecken des Vorformlings zum Ausformen des Behälters bewirken kann.
Alternativ dazu oder in Kombination kann ferner vorgesehen sein, dass die Formfüllstation einen Verschließer umfasst, der einen in der Form befindlichen Behälter nach Befüllen mit einem Verschluss verschließen kann. Besonders bevorzugt ist der Verschließer so angeordnet, dass der Behälter auch in der verschwenkten Form verschlossen werden kann. Dazu kann der Verschließer ebenfalls mit der Form verschwenkbar angeordnet sein oder fest am Karussell angeordnet sein, wobei er dann so angeordnet ist, dass er einen Behälter in der verschwenkten Form verschließen kann.
Nach Verschließen des Behälters kann dann eine beliebige Veränderung der Lage der Form und damit des befüllten und verschlossenen Behälters erfolgen, da keine Flüssigkeit mehr aus dem Behälter entweichen kann. So kann beispielsweise im Anschluss an das Verschließen eine Übergabe des Behälters an andere Vorrichtungen erfolgen und zu diesem Zweck die Form in eine zur Rotationsachse parallele Ausrichtung (mit Bezug auf die Längsachse der Form) gebracht werden.
4 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Formfüllmaschine gemäß einer anderen Ausführungsform. Die Formfüllmaschine 400 umfasst ebenfalls ein drehbares Karussell 401 und eine oder mehrere Formfüllstationen 402 mit jeweils einer Form 403. Die Formfüllstation 402 kann mittels einer Halterung 404 mit dem Karussell verbunden sein. Gemäß der in 4 dargestellten Ausführungsform ist die Formfüllstation und insbesondere die Form fest mit dem Karussell verbunden, wobei die Form 403 so angeordnet ist, dass ihre Längsachse einen Winkel mit der Rotationsachse R des Karussells einschließt. Dazu kann die Form 403 oder die Formfüllstation 402 an zwei Punkten an der Formfüllmaschine befestigt sein. Dazu können Befestigungsblöcke 405 und 406 dienen, mit denen die Form verbunden werden kann.
Da eine Einstellung des Winkels, unter dem die Form 403 gegenüber der Rotationsachse R verschwenkt wird, in dieser Ausführungsform nicht möglich ist, wird der Anstellwinkel der Form 403 vorzugsweise so gewählt, dass er beim Betrieb der Formfüllmaschine etwa dem Winkel entspricht, um den sich der Flüssigkeitsspiegel der Flüssigkeit in einem Behälter in der Form gegenüber der Horizontalen aufgrund der auf die Flüssigkeit einwirkenden Kräfte verschiebt. Somit kann eine teilweise, bevorzugt vollständige Kompensation gewährleistet werden.
Da bei bekannter Rotationsgeschwindigkeit und Lage des Schwerpunkts der Flüssigkeit der Winkel, um den sich der Flüssigkeitsspiegel gegenüber der Horizontalen verschiebt, bestimmt werden kann, kann bereits bei der Konstruktion der Formfüllmaschine ein entsprechender Winkel für die Form 403 vorgesehen werden. So kann für die Ausführungsform gemäß 4 vorgesehen sein, dass der Winkel größer als 0° aber kleiner als 90° ist. Bevorzugt beträgt der Winkel zwischen Längsachse L der Form 403 und Rotationsachse R des Karussells zwischen 20° bis 70°. Besonders bevorzugt beträgt der Winkel 30° bis 60°. Beliebige Winkel in diesen Intervallen sind realisierbar und von der Erfindung umfasst.
Insbesondere kann der Winkel bei der Konstruktion der Formfüllmaschine bereits gemäß Gleichung 1 bestimmt werden, sofern die gewünschte Rotationsgeschwindigkeit v und der Abstand r des Schwerpunkts der Flüssigkeit von der Rotationsachse R des Karussells bekannt sind. Der Winkel kann dabei auch so gewählt werden, dass Toleranzen hinsichtlich der Rotationsgeschwindigkeit und einer Veränderung des Abstands R des Schwerpunkts der Flüssigkeit von der Rotationsachse des Karussells berücksichtigt werden. Variiert beispielsweise der Winkel, um den sich der Flüssigkeitsspiegel der Flüssigkeit gegenüber der Horizontalen bei Betrieb der Formfüllmaschine verschiebt, um bis zu 5°, beträgt im Mittel jedoch 61°, so kann die Form unter einem Winkel von 61° bezüglich der Rotationsachse R des Karussells an der Formfüllmaschine angeordnet werden. Zwar lässt sich so keine vollständige Kompensation der Verschiebung des Flüssigkeitsspiegels während des gesamten Füllvorgangs erreichen, jedoch kann der Einfluss dieser Verschiebung erheblich reduziert und so auch das Risiko von überlaufender Flüssigkeit minimiert werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die Befestigungsblöcke 405 und 406 ihrerseits fest aber lösbar mit dem Karussell der Formfüllmaschine verbunden sind. So kann eine Anpassung der Ausrichtung der Form durch Verwendung unterschiedlicher Befestigungsblöcke realisiert werden. Ist beispielsweise für das Ausformen und Befüllen einer ersten Behälterklasse eine Ausrichtung der Form unter einem Winkel von 45° notwendig, für eine zweite Behälterklasse jedoch einer Ausrichtung und einem Winkel von 57°, so können für jede dieser Winkeleinstellungen zwei Befestigungsblöcke bereitgestellt werden, die bei Bedarf eingesetzt werden können, um die Ausrichtung der Form anzupassen. Zwar ist so eine Anpassung der Ausrichtung der Form während des Betriebs der Formfüllmaschine nicht möglich, jedoch kann während der Umstellung auf eine andere Behälterklasse auch eine entsprechende Anpassung der Ausrichtung der Form erfolgen.
Unabhängig von der Verschwenkbarkeit von Formen oder Formfüllstationen können in der Formfüllmaschine Behälterformen verwendet werden, die Unterdruck kompensieren können, um einer Volumenänderung des Füllguts nach Verschließen des Behälters, etwa durch Temperaturänderung, folgen zu können, ohne dass der Behälter sich an ungewünschten Stellen verformt, z. B. oval wird, obwohl er vorher rund war.
Insbesondere bei Formfüllverfahren, bei denen die Form evakuiert wird, bevor der Vorformling in dieser zum Behälter expandiert wird, können Ausgleichspanels in der Form vorgesehen sein. So können unerwünschte Verformungen vermieden werden. Diese Formen können insbesondere bei Hotfill-Verfahren, bei denen in den Behälter oder in den Vorformling heißes Produkt eingefüllt wird, Anwendung finden.
Weiterhin kann, ebenfalls unabhängig von der Verschwenkbarkeit einzelner Formen oder Formfüllstationen, eine Inspektion von Vorformlingen vor Übergabe der Vorformlinge an die Formfüllmaschine vorgesehen sein. Dazu kann eine in Transportrichtung der Vorformlinge vor der Formfüllmaschine angeordnete Inspektionseinheit bereitgestellt werden. Die Inspektionseinheit kann weiterhin ausgebildet sein, Einschlüsse in der Seitenwand der Preforms zu erkennen. Diese Einschlüsse von Verunreinigungen können häufig zum Platzen während des Ausformen des Vorformling zum Behälter führen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Inspektionseinheit so angeordnet ist, dass eine Inspektion der Vorformlinge bei der Zuführung in die Formfüllmaschine erfolgen kann. Die Inspektionseinheit kann insbesondere optische Mittel, wie beispielsweise Kameras und Lampen, zum Inspizieren der Vorformlinge umfassen. Dabei können die Vorformlinge von einer Seite durch eine Lichtquelle beleuchtet werden und auf der gegenüberliegenden Seite des Vorformlings kann eine Kamera angeordnet sein. Diese kann den durchleuchten Vorformling aufnehmen und anhand der aufgenommenen Bilder kann eine Auswertung hinsichtlich möglicher Einschlüsse in der Seitenwand des Vorformlings erfolgen.
Vorzugsweise befindet sich stromabwärts der Inspektionseinheit und stromaufwärts der Formfüllmaschine eine Ausschleuseeinheit, die defekte Vorformlinge noch vor dem Einsetzen in die Formfüllmaschine aus dem Behälterstrom ausschleusen kann und somit eine Flasche, die wahrscheinlich platzen würde und damit das Füllgut in der Maschine verteilen würde, gar nicht erst hergestellt und befüllt wird. Dazu wird vorzugsweise auch das entsprechende Blas/Füllventil passend zum ausgeschleusten Preform für diesen Herstellvorgang deaktiviert.
Umher spritzende Flüssigkeit beim Formfüllen von Behältern ist grundsätzlich ein Problem. Dies kann nicht nur aufgrund der Verschiebung des Flüssigkeitsspiegels passieren, sondern auch durch das Platzen von Vorformlingen in den Formen während des Ausformens zu Behältern. Um betroffene Komponenten, wie beispielsweise die Form oder andere Bestandteile der Formfüllstation besser reinigen zu können, kann vorgesehen sein, dass Teile der Form und/oder der Formfüllstation mit Polytetrafluorethylen (PTFE) oder einem ähnlichen Antihaft-Mittel beschichtet sind. Insbesondere können der Öffnungsbereich der Form und dessen unmittelbare Umgebung mit PTFE beschichtet sein.
Da bei Formfüllvorgängen im flüssigen Medium beim Ausformen des Vorformlingshoher Druck entsteht, kann es bei Fehlen oder beim Platzen eines Vorformlings zu Verunreinigungen und Beschädigungen der Form und der Maschinenumgebung kommen, wenn der Formfüllvorgang nicht rechtzeitig abgebrochen, d.h. also die Zufuhr von flüssige Medium unterbrochen wird. Um die Steuerung der Zufuhr von flüssigem Medium in den Vorformling zu verbessern, kann eine Aufzeichnung des Volumenstroms in die Form erfolgen. Da sich der Volumenstrom beim Platzen eines Vorformling vom üblichen Volumenstrom bei erfolgreichem Formfüllen eines Vorformlings unterscheidet, können Referenzpunkte für den Volumenstrom festgelegt werden, bei deren Überschreitung ein Platzen eines Vorformlings erkannt und der Zustrom von flüssigem Medium unterbrochen wird.
Generell stellen Reste von Produkt in Totwassergebieten innerhalb der Station oder in entsprechenden Zuleitungen ein Problem dar. Es ist daher vorteilhaft, die Zuleitungen so auszubilden, dass Totwassergebiete, in denen Produkt bei abschalten einer Formfüllstation verbleiben kann, möglichst minimiert werden. Dazu können die Zuleitungen so ausgebildet sein, dass die sie beschreibende Funktion möglichst keinen Wendepunkt aufweist, in dem sich Flüssigkeit aufgrund der auf die Flüssigkeit einwirkenden Schwerkraft sammeln könnte. Weiterhin kann die Innenseite der Zuleitungen flüssigkeitsabweisend ausgebildet sein. So kann die Innenseite der Zuleitungen mit Polytetrafluorethylen oder einem ähnlichen Antihaft-Mittel beschichtet sein. Selbiges gilt für die Innenseite der Form der Formfüllstation. In diesen können ebenfalls Ablauföffnungen für aufgrund von geplatzten Vorformlingen in der Form befindliches Produkt vorgesehen sein.
Generell muss vor allem die Produktzuleitung zu den einzelnen Stationen so ausgeführt werden, dass ein Abschalten einer einzelnen Station möglich ist, ohne dass sich das Produkt in der Zuleitung ablagert und altert. Das Abschalten einzelner Stationen kann z. B. notwendig werden, wenn einzelne Komponenten an der Maschine ausfallen, aber noch eine Teilproduktion gefahren werden kann. Ein Beispiel hierfür ist eine defekte Klammer in einem Einlaufstern, die eine Beschickung einer bestimmten Station verhindert. Die von dieser Klammer zu beschickenden Formfüllstationen können dann gezielt abgeschaltet werden (insbesondere die Zuleitung von Produkt), während die übrigen Stationen weiter betrieben werden.

Claims

Formfüllmaschine (100) mit einem drehbaren Karussell (101), an dem Formfüllstationen (102) mit einer Form (103) zum Aufnehmen von Vorformlingen und zum Ausformen und Füllen von Behältern angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Form um eine tangential zur Rotationsrichtung des Karussells verlaufende Achse (105) schwenkbar angeordnet ist, sodass einer durch Fliehkräfte bewirkten Verschiebung des Flüssigkeitsspiegels im Behälter und/oder Vorformling entgegengewirkt werden kann.
Formfüllmaschine (100) nach Anspruch 1, wobei die Form (103) so angeordnet ist, dass sie allein durch die auf die Form wirkenden Kräfte verschwenkt werden kann.
Formfüllmaschine (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Vorrichtung (210, 220), wie beispielsweise ein Motor oder eine Steuerkurve, zum Unterstützen der Verschwenkung vorgesehen ist.
Formfüllmaschine (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Arretiervorrichtung (230) vorgesehen ist, die die Form parallel zur Rotationsachse (R) des Karussells arretieren kann.
Formfüllmaschine (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Verschließer vorgesehen ist, der den befüllten Behälter in der verschwenkten Form verschließen kann.
Formfüllmaschine nach Anspruch 5, wobei die Verschließerdrehachse oder eine Stanzachse des Verschließers schräg bezüglich der Rotationsachse (R) des Karussells angeordnet ist.
Formfüllmaschine (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Formfüllstation (102) einen Füllstutzen (341) zum Einbringen eines flüssigen Mediums in den Vorformling in der Form (103) umfasst, wobei der Füllstutzen schwenkbar angeordnet ist.
Formfüllmaschine (400) mit einem drehbaren Karussell (401), an dem Formfüllstationen (402) mit einer Form (403) zum Aufnehmen und Formfüllen von Vorformlingen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Form fest an dem Karussell angeordnet ist, sodass die Längsachse (L) der Form einen Winkel mit der Rotationsachse (R) des Karussells einschließt.
Formfüllmaschine (100, 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Winkel zwischen der Längsachse (L) der verschwenkten Form (103, 403) und der Rotationsachse (R) des Karussells zwischen 0° und 90°, bevorzugt 35° bis 80°, besonders bevorzugt 50° bis 75° beträgt.
Verfahren zum Herstellen von Behältern in der getränkeverarbeitenden Industrie mit einer Formfüllmaschine (100), umfassend ein drehbares Karussell (101) mit Formfüllstationen (102), wobei ein Vorformling in eine Form (103) der Formfüllstation (102) eingegeben und zu einem Behälter ausgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Füllphase ein flüssiges Medium in den Vorformling oder den Behälter eingebracht wird und die Form während der Füllphase um eine tangential zur Rotationsrichtung des Karussells verlaufende Achse (105) verschwenkt wird, sodass einer durch Fliehkräfte bewirkten Verschiebung des Flüssigkeitsspiegels im ausgeformten Behälter und/oder Vorformling entgegengewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das flüssige Medium das in den Behälter einzufüllende Produkt ist.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Verschwenken allein durch die auf die Form (103) einwirkenden Kräfte während der Rotation des Karussells (101) bewirkt wird oder wobei die Verschwenkung durch eine Vorrichtung (210, 220), beispielsweise ein Motor oder eine Steuerkurve, unterstützt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die befüllten Behälter in der Form durch einen Verschließer verschlossen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Form während einer Ausformphase und/oder während einer Übergabephase parallel zur Rotationsachse (R) des Karussells (101) ausgerichtet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei der Winkel zwischen der Form (103) und der Rotationsachse des Karussells (101) maximal ist, wenn ein Füllstutzen nach Beenden eines Füllvorgangs während der Füllphase vom Behälter entfernt wird und optional der Winkel zwischen der Form (103) zur Rotationsachse R im Moment der Abnahme des Füllstutzens von der Flasche so gewählt ist, dass eine der Halbgeraden in Richtung der resultierenden Kraft zeigt.