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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bördeln oder Umformen des Öffnungsrandes
eines Gefäßes aus
einem teilkristallinen Polymer, insbesondere aus Polypropylen, bei
dem der Gefäßrand erwärmt, mit
einer Bördelschnecke
umgeformt und anschließend
abgekühlt
wird.
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Soweit
auf Polypropylen Bezug genommen wird, wird isotaktisches Polypropylen
verstanden.
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Kunststoff-Trinkbecher
oder Gefäße mit gebördeltem
Rand wurden über
mehrere Jahrzehnte ausschliesslich aus amorphem bzw. nicht kristallinem Polystyrol
oder anderen amorphen Kunststoffen hergestellt. Polystyrol hat in
einem weiten Bereich thermoplastische Eigenschaften, was eine einfache
und sichere Produktion mit verschiedenen Verfahren ermöglicht.
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Diese
Verfahren haben alle gemeinsam, dass die Kunststoff-Trinkbecher
in einem Thermoverfahren hergestellt werden. Dabei werden die Kunststoff-Trinkbecher
stapelweise einer Vorrichtung aus ein oder mehreren Bördelschnecken
zugeführt.
Der zunächst
U-förmige
Rand der Kunststoff-Trinkbecher wird beim Fördern durch die sich im Querschnitt
kontinuierlich verändernden
Scheckengänge
zunehmend umgebördelt.
Die Steigung der Schneckengänge
entspricht der Stapelhöhe
der Kunststoff-Trinkbecher.
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Die
Vorrichtung nach der
DE 14 54
989 ist beispielsweise zur Weiterverarbeitung von Kunststoffbechern
aus verhältnismäßig dünnen Seitenwandungen
vorgesehen, die aus Polystyren oder Polyethylen bestehen. Ab einer
Temperatur von 130°C weisen
diese Kunststoffe plastische Eigenschaften auf. Bei steigender Temperatur
in Bereichen von bis zu weiteren 15°C bleibt die thermoplastische
Eigenschaft erhalten. Die Einstellung der Temperatur ist deshalb
unproblematisch.
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Mit
der Verwendung von Polypropylen als Material für Kunststoff-Trinkbecher oder
Gefäße muss
an die Temperatureinstellung während
des Herstellungsverfahrens höhere
Ansprüche
gestellt werden.
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Polypropylen
weist teilkristalline Strukturen auf, weswegen das Bördeln des
Randes von solchen Gefäßen zur
Herstellung von Mundrollen insofern problematisch ist, als die geformten
Mundrollen nach dem Verlassen der Bördelschnecke wieder aufspringen.
Ferner werden durch die Hersteller von Getränkeautomaten immer engere Toleranzen
hinsichtlich des gebördelten
Randes gefordert, um die Automatisierung immer schneller und vor
allem störungsfrei
zu bewerkstelligen.
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Es
ist bereits ein gattungsgemäßes Verfahren
zum Bördeln
der Öffnung
von flexiblen Gefäßen aus
einem thermoplastischen Kunststoff, wie Polypropylen aus der
US 4,391,768 bekannt. In
diesem Verfahren wird der Rand der Gefäße durch Wärmestrahlung und durch Wärmeleitung
beheizt. Der radi ale Abstand zwischen der Bördelschnecke und dem Rand des
Gefäßes ist
fest.
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Nach
dem Formen des Randes der Gefäße durch
den durch die Bördelschnecke
in axialer Richtung aufgebrachten Druck, wird die Wärmezufuhr
an der schraubenförmigen
Rille der Bördelschnecke
zur Abkühlung
des Randes gestoppt. Die Bördelschnecke
weist zur Reduzierung der Temperatur eine flüssigkeitsgekühlte Zone
auf, welche die Gefäße durchlaufen,
wobei der genannte radiale Abstand beibehalten wird, bis die Temperatur
der Gefäße und des Randes
genügend
zurückgegangen
ist, sodass der Kunststoff mechanisch stabil ist.
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Um
genaue Temperaturen der Gefäße zu erreichen,
werden diese durch Heizstrahler erwärmt, die drei Temperaturzonen
zu Beginn des Verfahrens bilden. Die Heizstrahler weisen entsprechend
der jeweiligen Zone Temperaturen von 500°, 600° und 700°F auf. Das entspricht etwa 260°, 316° und 371°Celsius.
Das Polypropylen bzw. die Gefäße werden
dabei auf eine Temperatur von 300° bis
320°F erwärmt was
etwa 149° bis
160°C entspricht.
Die Kühlung
der Bördelschnecke
erfolgt mittels eines Kühlmittels
mit einer Temperatur von 40° bis
50°F, was etwa
4° bis 10°C entspricht.
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Die
in diesem als nächstliegend
betrachteten Stand der Technik (
US
4,391,768 ) als "fine
tuning" bezeichnete
Regelung der Temperatur ist hinsichtlich der Kühlung technisch sehr aufwendig
und dient nur unzureichend zur Einhaltung der erforderlichen Toleranzen
der gebördelten
Ränder.
Die für
Polypropylen typischen temperaturabhängigen Stoffeigenschaften werden
bei diesem gattungsgemäßem Herstellungsverfahren
nur unzureichend berücksichtigt.
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Die
JP 02155716 A beschreibt
eine Lippenrollvorrichtung, bei der auf den Becherrand Wasserdampf
der Temperatur von 100–150°C aufgesprüht wird.
Gleichzeitig zirkuliert innerhalb der Rollvorrichtung ein Öl der Temperatur
120–160°C. Über die Temperatur
im Bereich des Gefäßrandes
und die Verfahrensführung
werden keine detaillierten Angaben gemacht.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bördeln von
Rändern
von Gefäßen aus
teilkristallinem Polymer, insbesondere aus Polypropylen, derart
zu gestalten, dass die temperaturabhängigen Stoffeigenschaften des
teilkristallinen Polymers, insbesondere des Polypropylens berücksichtigt
werden.
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Gelöst wird
die Aufgabe erfindungsgemäß mit den
Merkmalen gemäß Anspruch
1.
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Hierdurch
wird erreicht, dass beim Aufheizen des Polymers die teilkristallinen
Bereiche vollständig aufgeschmolzen
werden, ohne dass das Polymer zu heiß und somit für die Bearbeitung
zu plastisch beziehungsweise zu weich wird. Der umzuformende Gefäßrand lässt sich
aufgrund der fehlenden teilkristallinen Bereiche sehr leicht umbördeln. Das
Umbördeln bei
nicht vollständig
aufgeschmolzenem Gefäßrand würde zu einem
erhöhten
Kraftaufwand führen
und zu einem Wiederaufbiegen des Gefäßrands aufgrund der Eigenspannungen
in den teilkristallinen Bereichen.
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Ein
solches Aufheizverfahren ermöglicht
somit ein spannungsfreies und einfaches Umbördeln. Die Abkühlung nach
dem Bördeln
auf die Temperatur T4 erfolgt so schnell, dass der Temperaturbereich,
in dem das Polymer dazu neigt, wieder kristalline Bereiche zu bilden,
schnell durchlaufen wird. Der amorphe Zustand des Polymers wird
dabei eingefroren.
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Hierzu
ist es vorteilhaft, dass bei Gefäßen aus
Polypropylen die Temperatur TM1 im Bereich des umlaufenden Gefäßrandes
durchschnittlich 130°C
beträgt.
Die Temperatur TM1 entspricht der durchschnittlichen Schmelztemperatur
von Polypropylen. In diesem Temperaturbereich schmilzt auch die
teilkristalline Struktur des Polypropylens vollständig auf.
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Eine
zusätzliche
Möglichkeit
ist gemäß einer Weiterbildung,
dass die Temperatur TM2 des Polypropylens im Bereich des umlaufenden
Gefäßrandes 98° bis 102°C, insbesondere
100°C beträgt. Beim Abkühlen von
aufgeschmolzenem Polypropylen findet eine Rekristallisation statt.
Die Temperatur TM2 entspricht der durchschnittlichen Temperatur,
bei der Polypropylen beim Abkühlen
rekristallisiert und eine teilkristalline Struktur bildet.
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Die
Temperatureigenschaften von Polypropylen unterscheiden sich je nach
Charge, Hersteller oder Menge an Zusatzstoffen in gewissem Umfang, so
dass die jeweiligen Temperaturen TM1 und TM2 in gewissen Bereichen
variieren. Gleiches gilt für
sonstige teilkristallinen Polymere, deren Temperaturen TM1 und TM2
höher oder
niedriger als die von Polypropylen sind und ebenfalls in gewissen
Bereichen variieren.
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Vorteilhaft
ist es hierzu auch, dass das Polymer im Bereich des umlaufenden
Gefäßrandes
nach dem Erwärmen
auf die Temperatur T1 und vor dem Umformen auf eine Temperatur T2
= TM1 + 5°C
bis T2 = TM1 – 5°C abgekühlt wird.
Durch die bis zu diesem Zeitpunkt erfolgte Erwärmung des Becherrandes ist
der äußere, der
Wärmequelle
zugewandte Bereich des Gefäßrandes
wärmer
als der innere, dem Becherinneren zugewandte Bereich. Mit der erfindungsgemäßen geringen
Abkühlung
wird erreicht, dass der äußere Gefäßrand nicht überhitzt
wird und sich gleichzeitig eine konstante Temperatur über die gesamte
Wandstärke
am Gefäßrand einstellt.
Zwischen dem äußeren und
dem inneren Bereich des Gefäßrandes
findet ein von der Wärmequelle
unabhängiger
Wärmeaustausch
statt. Durch diese Phase des Wärmeausgleichs
werden zugleich Spannungen innerhalb des Gefäßrandes abgebaut.
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Die
Temperatur T2 ist immer noch hoch genug, um bisher nicht aufgeschmolzene
teilkristalline Bereiche aufzuschmelzen. Hinsichtlich des bevorstehenden
Abkühlungsverfahrens
des Gefäßrandes
ermöglicht
das niedrigere Temperaturniveau eine schnellere Abkühlung nach
dem Bördeln.
Zudem ist das amorphe Polymer etwas weniger plastisch, was ein genaueres
und schnelleres Bördeln
ermöglicht.
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Es
ist vorgesehen, dass während
des Umformens des umlaufenden Gefäßrandes mit dem Abkühlprozess
begonnen wird und das Polymer im Bereich des umlaufenden Gefäßrandes
während
des Umformens auf eine Temperatur T3 = TM1 – 1°C bis T3 = TM1 – 15°C abgekühlt wird.
Zum Zeitpunkt des Beginns des Umbördelns sind alle teilkristallinen
Bereiche aufgeschmolzen. Eine Rekristallisation setzt erst in einem
Temperaturbereich um TM2 ein, sodass bei T3 vollständig aufgeschmolzenes
und plastischen Polypropylen vorliegt, das sich sehr gut verarbeiten
lässt.
Die weitere Reduzierung der Temperatur des Polymers begünstigt das
spätere
schnelle Abkühlen
noch mehr.
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Wesentlich
für die
Erfindung ist, dass das Polymer nach dem Umbördeln mit einer Abkühlgeschwindigkeit
von 25°C/s
bis 75°C/s
von der Temperatur T3 auf eine Temperatur T4 = TM2 – 10°C bis T4 =
TM2 – 15°C abgekühlt wird.
Dadurch wird erreicht, dass der durch das Aufschmelzen erreichte
amorphe Zustand des Polymers eingefroren wird. Nach dem Abkühlen sind
keine Eigenspannungen im Gefäßrand enthalten,
die eine nachteilige Verformung des umgebördelten Randes zu Folge hätten. Durch
die schrittweise Abkühlung
bis zur Beendigung des Bördelns
von der Temperatur T1 auf die Temperatur T3, sind die Voraussetzungen
für ein
sehr schnelles Abkühlen
gegeben.
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Ferner
ist vorteilhaft, dass beim Abkühlen des
Polymers im Bereich des umlaufenden Gefäßrandes auf die Temperatur
T4 eine weitere Abkühlung
des Polymers durch Umgebungsluft bis auf Raumtemperatur erfolgt.
In diesem Temperaturbereich bilden sich keine teilkristallinen Bereiche
mehr, so dass eine relativ geringe Abkühlgeschwindigkeit ausreicht.
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Im
Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung
ist es von Vorteil, dass pro Schneckengang und pro Minute 1.800
bis 2.500 Gefäße umgeformt
werden. Die erfindungsgemäß stoffbedingte
Einstellung und schrittweise Reduzierung der Temperatur des Gefäßrandes
lässt solche
Produktionsgeschwindigkeiten zu.
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Das
beschriebene Verfahren ist grob in fünf Verfahrensschritte untergliedert.
In den beiden ersten Verfahrensschritten wird das Gefäß soweit
erhitzt, dass keine teilkristallinen Bereiche mehr vorhanden sind.
Da beim Erhitzen nur die Oberflächentemperatur
der Gefäße messbar
ist, muss sicher gestellt werden, dass der Kern des Gefäßrandes
auch vollständig
aufgeschmolzen ist. Hierzu wird in einem dritten Verfahrensschritt
die Wärmezufuhr
von außen
reduziert. Während
dessen stellt sich die gewünschte Temperatur
des Gefäßrandes über den
gesamten Querschnitt ein. In einem vierten Verfahrensschritt wird
der Gefäßrand umgebördelt und
weiter abgekühlt.
Im fünften
Verfahrensschritt wird der Gefäßrand sehr
schnell auf eine Temperatur abgekühlt, die eine Rekristallisation
verhindert und den amorphen Zustand einfriert.
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Gelöst wird
die Aufgabe mit einer Vorrichtung zum Bördeln des Öffnungsrandes eines Gefäßes aus einem
teilkristallinen Polymer, insbesondere aus Polypropylen, oder aus
Polystyrol mit mindestens einer Bördelschnecke, einer Heizvorrichtung,
mindestens einer Gegendruckrolle und einer Abkühlvorrichtung gemäß den Merkmalen
des Anspruchs 2. Eine solche Vorrichtung ist aus dem eingangs erläuterten
Stand der Technik bekannt.
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Vorteilhaft
an der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist, dass die Oberflächentemperatur
der Bördelschnecke
und die der Gefäße mindestens
an einer Stelle berührungslos
messbar ist, wobei die Vorrichtung mindestens einen berührungslos
arbeitenden Temperaturmesser aufweist, der einem oder mehreren Gefäßrändern zugeordnet
ist. Durch diese Art der Temperaturmessung kann der Temperaturverlauf
des Gefäßrandes
während
des Bördelns
erfasst und die richtige Temperatur des Kunststoffs eingestellt
werden.
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Zum
Einsatz kommen vor altem sogenannte Infrarotsensoren, die kleinste
Temperaturabweichungen auf Oberflächen erfassen. Es ist vorgesehen, dass
ein Temperaturmesser mehrere Temperaturen an verschiedenen festen
Punkten des sich anslatorisch vorbeibewegenden Gefäßstapels
erfasst oder dass der Temperaturmesser in einem gewissen Winkelbereich
ständig
die Temperatur eines Gefäßes durch
entsprechendes Schwenken erfasst. Im letzteren Fall schwenkt der
Temperaturfühler
als Ganzes oder die Lichtquelle für sich.
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Die
Bördelschnecke
ist entsprechend der fünf
Verfahrensschritte entlang ihrer x-Achse in fünf Abschnitte unterteilt, wobei
jeder Abschnitt ein anderes Temperaturniveau aufweist. Die Temperaturen der
Bördelschnecke
gehen von einem in den nächsten
Abschnitt stetig ineinander über.
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Außerdem ist
es vorteilhaft, dass die Bördelschnecke
eine Kernbohrung aufweist und innerhalb der Kernbohrung mindestens
ein Temperaturfühler vorgesehen
ist. Neben der Einstellung der Temperatur des Kunststoffs am Gefäßrand ist
die Temperatur der Bördelschnecke
für das
erfindungsgemäße Verfahren
von Bedeutung. Um die Gefäße zu erwärmen und
die teilkristallinen Bereiche aufzuschmelzen wird die Bördelschnecke
bis zum Ende des zweiter Abschnitts auf eine Temperatur überhalb
von TM1 erwärmt.
Zum und während
des Bördelns
fällt die
Temperatur der Bördelschnecke
bis zum Ende des Abschnitts vier auf eine Temperatur unterhalb von
TM1 In einem darauf folgenden fünften
Abschnitt wird die Bördelschnecke
fast auf Raumtemperatur abgekühlt Mittels
der Temperaturfühler
im Inneren der Bördelschnecke
können
deren Temperaturen in den verschiedenen Bereichen genau erfasst
werden. Aufgrund der Tatsache, dass die Bördelschnecke im Vergleich zu
den Gefäßen einen
sehr trägen
Wärmespeicher
bildet, reicht die Erfassung der Temperatur der Bördelschnecke
auf der Außenseite
nicht aus. Durch die im Inneren der Bördelschnecke gemessenen Temperaturen,
kann die Temperatur an jeder beliebigen Stelle auf der Bördelschnecke
durch Extrapolation ermittelt werden.
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Ferner
ist es vorteilhaft, dass im Bereich der Bördelschnecke mindestens eine
Druckluftdüse
vorgesehen ist. In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, dass
mindestens ein Gefäßrand eines
in der Vorrichtung befindlichen Gefäßes mittels Druckluft kühlbar ist.
Neben der Abkühlung
der Gefäße durch die
Bördelschnecke
werden die Gefäße zusätzlich gezielt
durch Druckluft von der Temperatur T3 auf T4 abgekühlt. Die
Druckluft steht uneingeschränkt
zur Verfügung
und weist physikalisch bedingt aufgrund der Expansion eine verhältnismäßig niedrige
Temperatur auf, die zum Kühlen
vorteilhaft ist. Ferner ist die Kühlleistung sehr gut über den
Druck und die Richtung der Druckluft regelbar.
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Zudem
es vorteilhaft, dass die Bördelschnecke
und/oder mindestens ein Lager der Bördelschnecke mittels Druckluft
kühlbar
ist. Die Kühlung
der Bördelschnecke
bewirkt, dass sich die durch Druckluft abgekühlten Gefäße nicht wieder durch die Bördelschnecke
erwärmt
werden. Die Bördelschnecke weist
durchschnittlich ein sehr hohes Temperaturniveau auf. Mittels Druckluft
ist es möglich,
nur die Oberfläche
der Bördelschnecke
abzukühlen,
ohne das in den ersten Abschnitten der Bördelschnecke zum Aufheizen
der Gefäße notwendige
hohe Temperaturniveau zu beeinflussen.
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Ebenso
wie zur Kühlung
der Bördelschnecke ist
es erfindungsgemäß auch vorgesehen,
dass die Gegendruckrolle mittels Druckluft kühlbar ist. Die Gegendruckrolle
heizt sich aufgrund der Umgebungsbedingungen und durch die Gefäße auf.
Das Wiederaufheißen
des durch die Bördelschnecke
und durch Druckluft gekühlten
Gefäßrandes
wird vermieden.
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Zum
Beheizen der Bördelschnecke
und der Gefäße ist es
von Vorteil, dass im Bereich der Bördelschnecke mindestens eine
Heizvorrichtung, insbesondere ein Heizstrahler, ein Radiator oder
ein Mikrowellengenerator und/oder Luftleitbleche vorgesehen sind.
Damit sind die Bördelschnecke
und/oder die Gefäße von außen beheizbar.
Der konvektive Wärmeübergang
wird je nach Anwendung dabei durch Ventilatoren unterstützt, wodurch
die Wärme
gleichmäßig in den
jeweiligen Bereichen der Bördelschnecke
verteilt wird. Die Luftleitbleche dienen dazu, die einzelnen Temperaturbereiche
beziehungsweise Abschnitte der Bördelschnecke
gegeneinander thermisch abzugrenzen.
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Vorteilhaft
ist hierzu, dass eine vertikale Achse der Heizvorrichtung parallel
zur x-Achse der Bördelschnecke
angeordnet ist und die Heizvorrichtung elektrisch oder mechanisch
justierbar ist. Diese Anordnung erlaubt es, die Heizvorrichtungen
um eine Parallele zur x-Achse zu verdrehen und je nach Verfahren
in Richtung der x-Achse zu verschieben.
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Hinsichtlich
des Durchsatzes an gebördelten Gefäßen ist
es vorteilhaft, dass die Bördelschnecke zwei
oder mehrere parallel verlaufende, über die gesamte Länge der
Bördelschnecke
erstreckende Schneckengänge
oder Windungen aufweist. Mit einer Umdrehung der Bördelschnecke
werden somit zwei oder mehr Gefäße aufgenommen
und ausgeworfen. Die Steigung der Schneckengänge ist je nach Anzahl der
Schneckengänge
größer als
durch die Stapelhöhe
der Gefäße gefordert.
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Je
nach Umdrehungszahl der Bördelschnecke
ist es vorteilhaft, dass die Gegendruckrollen antreibbar sind und
die Drehzahl der Gegendruckrollen einstellbar ist. Dadurch ist je
nach Steigung der Bördelschnecke
beziehungsweise Stärke
des Gefäßrandes
das Drehen der Gefäße um eine
Achse parallel zur x-Achse gewährleistet.
Ferner werden Deformationen durch die Gegendruckrolle am Gefäßrand vermieden.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und
in der Beschreibung erläutert
und in den Figuren dargestellt.
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Dabei
zeigt
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1 die
Kristallisationsgeschwindigkeit von Polypropylen in Abhängigkeit
der Temperatur;
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2 einen
Temperaturverlauf der Oberfläche
eines Polypropylen-Gefäßes in den
fünf Verfahrensschritten
und die Temperatur der Bördelschnecke
entlang der x-Achse;
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3 eine
Prinzipskizze einer Vorrichtung zum Bördeln von Gefäßen
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Das
Verfahren zum Bördeln
von Gefäßen aus
Polypropylen oder teilkristallinem Polymer ist grob in fünf aufeinander
folgende Schritte 1 bis 5 unterteilt. Diese fünf Verfahrensschritte unterteilen
das Verfahren vom Zeitpunkt des Erfassens eines Gefäßes durch
die Bördelschnecke 10 bis
zum Zeitpunkt des Auswurfs eines Gefäßes aus der Bördelschnecke 10 zeitlich
und örtlich
in aufeinander folgende Teilverfahren. Jedes Teilverfahren ist entlang
der x-Achse der Bördelschnecke 10 jeweils
einem von fünf
Abschnitten der Bördelschnecke 10 zugeordnet.
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In
den einzelnen Teilverfahren oder Verfahrensschritten werden verschiedene
Bereiche der Bördelschnecke 10,
die Gegendruckrollen 13 und die Gefäße unterschiedlich stark erhitzt
oder gekühlt. Dementsprechend
weist jede der fünf
Verfahrensschritte einen oder mehrere verschiedene Temperaturniveaus
auf.
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In 1 sind
die für
Polypropylen charakteristischen Temperaturen TM1 und TM2 dargestellt. Polypropylen
besitzt die Eigenschaft, in bestimmten Temperaturbereichen teilkristalline
Eigenschaften anzunehmen. Zum Bördeln
wird erfindungsgemäß beim Erhitzen
von Polypropylen die teilkristalline Struktur aufgeschmolzen. Der
Schmelzpunkt TM1 liegt in einem Temperaturbereich ΔTM1 einer
Temperatur TM1 von 130°Celsius.
In diesem Temperaturbereich ΔTM1
schmilzt die teilkristalline Struktur auf.
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Das
Umformen kann stattfinden, wenn die teilkristallinen Bereiche im
Gefäßrand durchgehend aufgeschmolzen
sind. Die Umformtemperatur liegt nach dem Aufschmelzen in einem
Temperaturintervall ΔTU.
In diesem Temperaturintervall ΔTU
rekristallisiert das Polypropylen noch nicht.
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Beim
Abkühlen
von aufgeschmolzenem Polypropylen bilden sich in einem Temperaturbereich ΔTM2 um eine
mittlere Temperatur TM2 wieder teilkristalline Bereiche. TM2 liegt
ungefähr
bei 100 Celsius. Das Temperaturintervall ΔTU und der Temperaturbereich ΔTM2 überschneiden
sich nicht. Teilkristalline Strukturen haben beim Bördeln den
nachteiligen Effekt, dass sich der Rand der Gefäße nach dem Bördeln aufgrund
von Eigenspannungen innerhalb der teilkristallinen Bereiche wieder öffnet.
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In 2 ist
die Temperatur der Bördelschnecke 10 über die
Verfahrensschritte 1 bis 5 und die x-Achse grafisch dargestellt.
Die für
Polypropylen charakteristischen Temperaturen TM1 und TM2 sind neben
dem Nullpunkt und einer maximalen Temperatur von 160°Celsius auf
der Ordinate aufgebracht.
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In
einem ersten Verfahrensschritt 1 nimmt die Temperatur der Bördelschnecke 10 von
einer Temperatur TB1 im Bereich unterhalb von TM2 stetig zu und
erreicht im Abschnitt 2 eine maximale Temperatur TB2 von 160 Celsius.
Die Bördelschnecke 10 ist in
diesen beiden ersten Verfahrensschritten heißer als der Gefäßrand. Der
Gefäßrand wird
durch die Bördelschnecke 10 und
durch eine in 3 dargestellte Heizvorrichtung 12 von
Umgebungstemperatur zügig
auf eine Temperatur T1 erwärmt.
T1 liegt um eine Temperaturdifferenz ΔT von ungefähr 8°Celsius oberhalb von TM1.
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Um
zu garantieren, dass der gesamte Gefäßrand auch im Kern und auf
der Innenseite des Gefäßes über den
gesamten Querschnitt aufgeschmolzen ist, wird im Verfahrensschritt
3 die Temperatur der Oberfläche
des Gefäßes auf
die Temperatur T2 reduziert beziehungsweise die Wärmezufuhr
reduziert. Hierzu ist die Temperatur der Bördelschnecke 10 im
Abschnitt 3 reduziert. Während
dessen schmilzt der Kern und der Innenbereich des Gefäßrandes
mit einer gewissen Zeitverzögerung
durchgehend auf und die Umformung des Gefäßrandes findet danach bei einem
niedrigeren Temperaturniveau statt. Das niedrigere Temperaturniveau
hat neben dem gleichmäßigen Aufschmelzen
vier weitere Vor teile. Erstens ist das Polypropylen weniger plastisch und
somit während
des Umformens formstabiler. Zweitens lässt sich das Gefäß nach dem
Bördeln schneller
auf ein noch niedrigeres Temperaturniveau abkühlen. Drittens bauen sich während des
Wärmeausgleichs
innere Eigenspannungen im Gefäßrand ab.
Viertens überhitzt
der Gefäßrand nicht.
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Im
Verfahrensschritt 4 wird der Gefäßrand umgebördelt. Der
Abschnitt 4 der Bördelschnecke 10 und
der Gefäßrand kühlen weiter
ab. Die Temperatur der Bördelschnecke 10 nimmt
schneller als die des Gefäßrands ab
und wird zum Ende des Bördelvorgangs
kälter
als der Gefäßrand, der
auf eine Temperatur T3 unterhalb von TM1 abgekühlt ist. Im Verfahrensschritt
4 ist keine Heizvorrichtung 12 vorgesehen.
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Nach
dem Bördeln
wird der Gefäßrand im Verfahrensschritt
5 mittels Druckluft von der Temperatur T3 schnellst möglich auf
eine Temperatur T4 abgekühlt
und der amorphe Zustand des Polypropylens eingefroren. T4 liegt
unterhalb des Bereichs der Rekristallisationstemperatur ΔTM2. Die
Bördelschnecke 10 kühlt ebenfalls
unterstützt
durch die Druckluft im Abschnitt 5 auf eine Temperatur TB3 unterhalb von
T4 ab.
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Die
Abkühlung
der Gefäße von T4
auf Raumtemperatur erfolgt in einem nicht dargestellten weiteren
Verfahrensschritt über
die Umgebungsluft.
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3 zeigt
die Aufteilung der Bördelschnecke 10 in
die Abschnitte 1 bis 5 entsprechend der Verfahrensschritte 1 bis
5. Es sind beispielhaft nur eine Gegendruckrolle 13 und
eine Heizvorrichtung 12 dargestellt. Üblicherweise kommen mindestens
drei Heizvorrichtungen (12) und mindestens drei Gegendruckrollen
(13) für
mindestens drei Gefäßstapel
zum Einsatz. Die Bördelschnecke 10 ist
teilweise geschnitten dargestellt und rotiert um die x-Achse, die zugleich
die Förderrichtung
der Gefäße darstellt.
Die Bördelschnecke 10 ist
vor und hinter dem einzigen Schneckengang 10.3 in einem
Lager 102a und in einem Lager 102b gelagert. Die
Bördelschnecke 10 weist
eine Kernbohrung 10.1 auf, in die drei Temperaturfühler 11a, 11b, 11c eingebracht
sind. Jeder der Temperaturfühler 11a, 11b, 11c wird
jeweils über
einen schleifenden Kontakt 11.1a, 11.1b, 11.1c elektrisch
abgegriffen. Über
die Temperaturfühler 11a, 11b, 11c wird
die Temperatur der Bördelschnecke 10 an
verschiedenen Punkten erfasst und somit die Temperatur der Bördel-schnecke 10 auf
der Außenseite
in den Abschnitten 1 bis 5 extrapoliert.
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Die
Bördelschnecke 10 und
die Gefäße werden
mittels einer Heizvorrichtung 12 erwärmt. Die Heizvorrichtung 12 ist
aus drei Heizstrahlern 12.1a, 12.1b, 12.1c gebildet.
Die Heizstrahler 12.1a, 12.1b, 12.1c weisen
eine Achse 12.2 auf, um die sie schwenkbar angeordnet sind.
Die Achse 12.2 verläuft
parallel zur x-Achse der Bördelschnecke 10.
Die Heizvorrichtung 12 ist den Abschnitten 1 bis 3 der Bördelschnecke 10 zugeordnet
und können
unterschiedliche Temperaturen aufweisen.
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Um
im Abschnitt 1 der Bördelschnecke 10 die
Temperatur stetig ansteigen zu lassen, damit die Gefäße nach
der Aufnahme nicht zu schnell erhitzen, wird die Oberfläche der
Bördelschnecke 10 in
diesem Abschnitt mittels einer Abkühlvorrichtung 14a gekühlt. Die
Abkühlvorrichtung 14a ist
als Druckluftdüse gebildet.
Der Druckluftstrom ist in seiner Richtung und Intensität verstellbar.
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Im
Abschnitt 3 der Bördelschnecke 10 ist
ein Infrarotsensor 15 vorgesehen, der die Temperatur der
Gefäße vor dem
Bördelvorgang
erfasst.
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Um
beim Bördeln
im Abschnitt 4 und in der Abkühlzone
des Abschnitts 5 der Bördelschnecke 10 das
Herausspringen der Gefäße aus dem
Schneckengänge 10.3 der
Bördelschnecke 10 zu
vermeiden und die Gefäße zu führen, ist
eine Gegendruckrolle 13 vorgesehen. Die Gegendruckrolle 13 ist
fliegend in einem Lager 13.1 gelagert und mittels Druckluft
kühlbar.
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Zum
Abkühlen
der Gefäße und der
Oberfläche
der Bördelschnecke 10 ist
im Abschnitt 5 eine weitere Abkühlvorrichtung 14b vorgesehen,
die auch als Druckluftdüse
ausgebildet sein kann. Der Druckluftstrom der Abkühlvorrichtung 14b ist
in seiner Richtung und Intensität
entsprechend der Abkühlvorrichtung 14a verstellbar.
Die Abkühlvorrichtungen 14a, 14b dienen
auch der Kühlung
der Lager 102a und Lager 102b der Bördelschnecke 10.
Die Lager 10.2a, 10.2b sind hinsichtlich der hohen
Umdrehungszahlen und Temperaturen äußerst verschleißfest und
selbstschmierend.
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Zum
Einstellen der erfindungsgemäßen Temperaturbereiche
werden die durch die Temperaturfühler 11a, 11b, 11c und
durch den Temperaturmesser 15 ermittelten Temperaturen
einer Steuerlogik zugeführt,
die die Intensität
der Heizvorrichtung 12 und der Abkühlvorrichtungen 14a, 14b steuert.