DE112017000693T5

DE112017000693T5 - Form, Formsystem, Thermoformvorrichtung und Verfahren zum Thermoformen

Info

Publication number: DE112017000693T5
Application number: DE112017000693.7T
Authority: DE
Inventors: Gijsbertus Adrianus Johannes Baptist Smeulders
Original assignee: Bosch Sprang BV
Current assignee: Kiefel GmbH
Priority date: 2016-02-08
Filing date: 2017-02-08
Publication date: 2019-01-17
Also published as: US11345074B2; EP3414075B1; US20190039280A1; EP3414075A1; NL2016238B1; PL3414075T3; WO2017137161A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Form und ein Formsystem, das eine solche Form umfasst.
Die Erfindung betrifft weiter eine Thermoformvorrichtung, die mit einer solchen Form oder einem solchen Formsystem ausgestattet ist.
Die bekannte Form umfasst eine Bodenplatte und eine Vielzahl von Formbereichen, wobei jeder Formbereich einen Hohlraum in der Bodenplatte und eine Formhülse umfasst, die in den Hohlraum angeordnet ist.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass jeder Formbereich weiter erste Erhitzungsmittel umfasst, um die Formhülse im Verhältnis zur Bodenplatte zu erhitzen oder erhitzt zu halten, so dass die Temperatur des Teils des Films der an der Formhülse anliegt, während des Kühlens lange genug oberhalb der Glastemperatur des Kunststoffs bleibt, um ein Produkt mit zumindest teilweise kristalliner Struktur zu ergeben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Form und ein Formsystem, das eine solche Form umfasst. Die Erfindung betrifft weiter eine Thermoformvorrichtung, die mit einer solchen Form oder einem solchen Formsystem ausgestattet ist, und ein Verfahren zum Thermoformen eines Produkts mit Hilfe einer solchen Thermoformvorrichtung.
Eine Form, die zum Thermoformen eines Produkts aus einer Kunststofffolie geeignet ist, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist bereits bekannt. Eine solche Form umfasst eine Bodenplatte und eine Vielzahl von Formbereichen, wobei jeder Formbereich einen Hohlraum in der Bodenplatte und eine Formhülse die in den Hohlraum positioniert ist, umfasst.
Thermoformen ist ein bekanntes Verfahren. Es nutzt die Tatsache, dass durch ausreichende Erhitzung die Form thermoplastischer Materialien, wie Polypropylen-(PP)-, Polysterol-(PS)-, Polyethylen-(PET)- und Polymilchsäure (Polylactic acid, PLA) verändert werden kann.
Eine typische Thermoformvorrichtung, zum Formen des erwärmten Materials, umfasst zwei Formen, eine obere und eine untere Form. Das erwärmte Kunststoffmaterial wird vorzugsweise in Form einer Folie zwischen die beiden Formen gebracht. Zu Beginn des Prozesses bewegt sich die untere Form nach oben und nimmt eine Vorschneidposition oder Formposition ein. Das Kunststoffmaterial wird mit Hilfe einer Vordehnvorrichtung oder mit Hilfe von Druckluft und/oder Vakuum in die Formhohlräume der unteren Form gebracht. Der Formhohlraum wird hier durch eine Formhülse und eine Formboden geformt, die in einen Hohlraum in der Bodenplatte positioniert sind. Im vorliegenden Stand der Technik wird diese Formhülse direkt oder indirekt gekühlt, und der Film der mit dieser gekühlten Hülse in Kontakt kommt, nimmt eine feste Form ein.
Im aktuellen Stand der Technik werden die untere und die obere Form sehr genau bei einer identischen Temperatur von ungefähr 20 Grad Celsius mit einer maximalen Schwankung von zum Beispiel ± 1,5 Grad Celsius gehalten, um Probleme beim Schneiden und Beschädigungen der Form zu verhindern. Bei einer vorbestimmten Art von Form, einer sogenannten Form-Schneideform, findet schließlich ein Schneidehub statt, in dem die untere Form eine kurze Aufwärtsbewegung durchführt. Bei dieser Art von Form, wird eine Schneidehülse in den Hohlraum der Bodenplatte eingebracht. Diese Schneidehülse ist ebenfalls Hülsen-ähnlich oder Mantelähnlich und bestimmt einen Hohlraum, in dem die Formhülse positioniert ist. Während des Schneidehubs, bewegen sich die Schneidehülse in der unteren Form und eine Schneidplatte in der oberen Form entlang einander, um das Produkt von der Folie abzuschneiden.
Die Schneidehülse in der unteren Form und die Schneidplatte in der oberen Form haben in diesem Fall einen sehr präzise eingestellten Schneidspalt, der für gute Schneideigenschaften notwendig ist. Nach dem Schneidehub bewegt sich die untere Form nach unten und kann wahlweise kippen, um so die Produkte aus dem Formhohlraum auszustossen. Dem Boden in der unteren Form wird durch einen Auswerferstift eine kurze Bewegung verliehen, wodurch das Produkt über die Formbasis aus dem Formhohlraum herausgedrückt wird und später in den Produktionsprozess integriert werden kann.
Wenn sich die Dimensionierung der Schneidplatte und der Schneidhülse in Folge von Temperaturschwankungen ändert, bringt dies das Risiko mit sich, dass die obere und untere Form in Klemmkontakt miteinander kommen, was zu einer Beschädigung der Formen führt. In dem die Temperatur auf relativ niedrigem Niveau konstant gehalten wird, wird dieses Risiko minimiert.
Manche Kunststoffe, wie zum Beispiel Polyethylenterephthalat, (PET), können in verschiedenen Formen vorliegen. Wenn das PET Material über die Glastemperatur gebracht und dann rasch abgekühlt wird, ist das resultierende PET Material amorph. Ein Nachteil der Produkte, die aus diesem Material hergestellt sind, besteht darin, dass sie ihre Geometrie nicht beibehalten. Das Produkt wird erneut plastisch und verformt sich bei relativ niedrigen Temperaturen. Amorphes PET ist daher ungeeignet zur Aufnahme von heißen Produkten, wie Tee oder Kaffee.
Eine andere Form von PET, ist PET mit erhöhter Kristallinität. Es ist bekannt unter dem Namen C-PET-(kristallines PET). In dieser Form sind die Polymerketten im PET regelmäßiger angeordnet als in anderen PET Formen. Die Kristallform kann erzielt werden, indem das PET Material nicht zu schnell abkühlen gelassen wird, wodurch sich das Material über einen vordefinierten Zeitraum oberhalb der Glastemperatur befindet und kristallisiert. Ein anderes Verfahren durch welches PET kristallin werden kann, besteht im überdehnen des Materials.
Ein aus PET Material hergestelltes Produkt, umfasst im Allgemeinen sowohl kristalline als auch amorphe Strukturen. Das Verhältnis zwischen diesen Strukturen kann jedoch angepasst werden, durch den Grad der Überdehnung und durch Anpassung des Kühlprozesses.
Im Stand der Technik werden Formen, die als Ganzes erhitzt werden, zur Herstellung von C-PET-Produkten verwendet. Die Temperatur, die für diesen Zweck verwendet wird, liegt im Allgemeinen im Bereich von 160-190 Grad Celsius. Das PET kristallisiert bei dieser Temperatur.
Im aktuellen Stand der Technik werden drei Stationen für die Herstellung von C-PET-Produkten verwendet: eine erste Station mit einer oder mehreren erwärmten Formen zum Formen des Produkts, eine zweite Station zum Abkühlen des geformten Produkts, und eine dritte Station zum Herausschneiden des Produkts.
Ein Nachteil der bekannte C-PET-Produkte besteht darin, dass sie manchmal eine relativ homogene Kristallinität haben, oder dass die Verteilung der Kristallinität gering oder unvorteilhaft im Hinblick auf Position und/oder Größe ist.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Thermoformvorrichtungen könnte in manchen Konfigurationen darin bestehen, dass besondere Vorkehrungen getroffen werden müssen, um die Erhitzung anderer Maschinenteile der Thermoformvorrichtung zu verhindern. Dies ist bei manchen Anwendungen nicht möglich oder sehr schwierig und/oder kostspielig.
Ein weiterer Nachteil bekannter Thermoformvorrichtungen besteht darin, dass sie möglicherweise je nach der genauen Konfiguration drei separate Stationen benötigen können, wodurch die Kosten erhöht werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Lösung für eines oder mehrere der oben erwähnten Probleme zu liefern.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird dieses Ziel erreicht durch Bereitstellen einer Form, die geeignet ist zum Thermoformen eines Produkts aus einer erwärmten Kunststofffolie, wobei die Form eine Bodenplatte und eine Vielzahl von Formbereichen umfasst, und wobei jeder Formbereich Folgendes umfasst: einen Hohlraum in der Bodenplatte, eine Schneidehülse, eine Formhülse, eine Formbasis und erste Erwärmungsmittel, wobei die Schneidhülse eine mantelähnliche Form hat, wobei die Schneidhülse in den Bodenplattenhohlraum positioniert ist, wobei die Formhülse in der Schneidhülse positioniert ist und die Formbasis in der Formhülse positioniert ist, wobei das erste Heizmittel ein erstes Heizelement umfasst, und wobei das erste Heizelement an einer Oberfläche der Formhülse oder in die Formhülse positioniert und unausgebildet ist, um die Formhülse zu erhitzen, und erste Wärmeisoliermittel, wobei die ersten Wärmeisoliermittel ausgebildet sind, um eine Wärmeströmung von der Formhülse und/oder der Formbasis zur Bodenplatte und/oder zur Schneidhülse und/oder zu einem Auswerferstift unterhalb der Formbasis zu blockieren oder zu begrenzen, so dass jeder Formbereich erste Heizmittel umfasst, um die Formhülse relativ zur Bodenplatte zu heizen oder erhitzt zu halten.
Idealerweise kann diese Erfindung die Temperatur des Teils des Films, der an der Formhülse aufliegt, während des Kühlens derart beeinflussen, dass die Temperatur lange genug oberhalb der Glastemperatur des Kunststoffs bleibt, um ein Produkt mit zumindest teilweise kristalliner Struktur zu liefern.
Der Kunststoff des Gesamtprodukts ist nach dem Formen, zum Beispiel zu mindestens 15% kristallin.
Im Kontext der vorliegenden Erfindung ist unter Formhülse auch eine Formhülse zu verstehen, die fest mit einer Schneidhülse verbunden ist, so dass die Formhülse eine Form- und Schneidefunktion hat und als eine einzige Komponente in den Hohlraum der Bodenplatte platziert werden kann.
Die Kunststofffolie wird erhitzt bevor die Folie in die Formhülse eingebracht wird, um die notwendige Plastizität oder Verformbarkeit zu erreichen. Die Folie kühlt ab, nachdem sie in die Formhülse eingebracht wurde. Mit dem ersten Heizmittel wird jedoch erreicht, dass diese Abkühlung im Vergleich zu einer abgekühlten Form erheblich verlangsamt wird. Der Kunststoff hat hierdurch mehr Zeit um zu kristallisieren. Die Hemmung des Abkühlvorgangs des Kunststoffs kann zum Beispiel erreicht werden durch Erhitzen der Formhülse und/oder durch Isolieren der Formhülse relativ zur kälteren Bodenplatte.
Es versteht sich, dass „Wärmeisoliermittel“ dazu dienen, einen Wärmestrom zwischen einem ersten und einem zweiten Element des Werkzeugs zu verringern. Daher hat ein Wärmeisolator, mindestens eine Wärmedurchgangszahl „h“ oder „alpha“ und/oder eine Wärmeleitfähigkeit „lambda“ die niedriger als die Wärmedurchgangszahl und/oder die Wärmeleitfähigkeit des ersten oder des zweiten Elements ist, da er sowohl mit dem ersten als auch mit dem zweiten Element im Kontakt steht. Idealerweise hat der Wärmeisolator eine Wärmedurchgangszahl und/oder eine Wärmeleitfähigkeit, die niedriger ist als die Wärmedurchgangszahlen und/oder die Wärmeleitfähigkeiten sowohl des ersten als auch des zweiten Elements.
Vorzugsweise hat der Wärmeisolator eine Wärmedurchgangszahl und/oder eine Wärmeleitfähigkeit, die kleiner als 10% der Wärmedurchgangszahlen und/oder der Wärmeleitfähigkeiten sowohl des ersten als auch des zweiten Elements sind und stärker bevorzugt kleiner als 1% sind. Zum Beispiel hat Stahl je nach seiner Legierungszusammensetzung eine Wärmeleitfähigkeit zwischen typischerweise 15 und 58 W/(m*K), während Luft eine Wärmeleitfähigkeit von ungefähr von 0,026 W(m*K) hat, technische Kunststoffe liegen normalerweise im Bereich zwischen zum Beispiel 0,17 und zum Beispiel 0,57 W(m*K) und designierte Isoliermaterialien, häufig aus Fasern hergestellt, liegen im Bereich von zum Beispiel 0,004 bis zum Beispiel 0,1 W/(m*K).
Der Wärmeisolator kann Luft sein oder er kann Luft oder ein anderes Gas umfassen.
Der Wärmeisolator kann ein technisches Kunststoffmaterial sein oder ein technisches Kunststoffmaterial umfassen.
Die Formhülse und die Bodenplatte haben substanziell andere Temperaturen, im Gegensatz zum Stand der Technik. In dem nur oder hauptsächlich diese Elemente erhitzt werden, kann die Temperaturzunahme im restlichen Teil der Form relativ begrenzt bleiben, wodurch Energie gespart werden kann.
Da nur die formbestimmenden Teile der Form erhitzt werden, wird die Option geschaffen, diesen formbestimmenden Teilen ein gewünschtes Temperaturprofil zu verleihen. Es kann daher wünschenswert sein, dass bestimmte Teile eines Produkts, wie zum Beispiel eine Oberseite, weniger kristallin sind als andere Teile des Produkts. Die ersten Erhitzungsmittel können zu diesem Zweck so ausgebildet sein, dass sie während eines Formens des Produkts Temperaturunterschiede in der Formhülse in einer Längsrichtung der Formhülse erzeugen. Die maximalen Temperaturunterschiede können größer sein als ein vordefinierter Schwellenwert, zum Beispiel 10 Grad Celsius, wobei dies vom verwendeten Kunststoff abhängt. Dadurch wird die Option geschaffen, in der Längsrichtung verschiedene Kristallinitäten des Kunststoffs zu erzeugen. Für den Fachmann wird offensichtlich sein, dass es auch möglich ist, die Kristallinität des Kunststoff lokal zu steuern, in dem die ersten Heizmittel entsprechend konfiguriert werden. So ist es möglich, nur einen kleinen Ring oder einem kleinen Abschnitt des Produkts eine erhöhte Kristallinität zu verleihen.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Erfindung es ermöglicht, C-PET-basierte Produkte in derselben Form zu formen und zu stanzen. Dadurch wird auch die Notwendigkeit beseitigt, separate Vorkehrungen zu treffen, um die Erhitzung oder Erwärmung anderer Maschinenteile zu verhindern.
Alternativ oder zusätzlich könnten die Heizmittel ein Heizelement umfassen, dass auf einer Oberfläche der Formbasis oder innerhalb der Formbasis oder unterhalb der Formbasis positioniert ist und ausgebildet ist, um die Formbasis zu erhitzen.
Die Form kann weiter Kühlmittel zum Kühlen der Bodenplatte umfassen. Solche Kühlmittel können zum Beispiel Leitungen in der Bodenplatte umfassen, durch die eine Kühlflüssigkeit geleitet wird.
Die ersten Heizmittel können mindestens eines aus der Gruppe umfassen, die aus ersten Wärmeisoliermitteln und einem ersten Heizelement besteht, wobei die ersten Wärmeisoliermittel ausgebildet sind, um einen Wärmestrom zu blockieren oder zu begrenzen, die von der Formhülse und der Folie fortgerichtet ist, und wobei das erste Heizelement in die Nähe der Formhülse positioniert und ausgebildet ist, um sie zu erhitzen.
Das erste Heizelement liegt vorzugsweise an der Formhülse an. In diesem Fall besteht ein direkter Wärmekontakt zwischen dem ersten Heizelement und der Formhülse. Dies steht im Kontrast zu einem indirekten Kontakt, bei dem andere Komponenten, wie zum Beispiel solchen mit hoher Wärmeleitfähigkeit, zwischen der Formhülse und dem ersten Heizelement positioniert sind.
Das erste Heizelement und/oder das erste Wärmeisoliermittel können weiter ausgebildet sein, um die Formhülse zu heizen oder in einer Längsrichtung derselben ungleichmäßig warm zu halten. Auch dies dient der Schaffung von Bereichen mit verschiedenen Kristallinitäten im Endprodukt.
Die Form kann sowohl die ersten Wärmeisoliermittel als auch das erste Heizelement pro Formbereich umfassen, wobei die ersten Wärmeisoliermittel ausgebildet sind, um eine Wärmeströmung zu blockieren oder zu begrenzen, die vom ersten Heizelement kommt und von der Formhülse fort gerichtet ist. Die vom ersten Heizelement erzeugte Wärme, wird hier hauptsächlich an die Formhülse oder an einen anderen Produkt-formenden Teil übergeben, der erhitzt werden soll, und nicht oder in geringerem Maße an die Bodenplatte.
Die ersten Wärmeisoliermittel können einen ersten Wärmeisolator umfassen, der vorzugsweise gemeinsam mit der Formhülse, das erste Heizelement einschließt oder umgibt. Dies hat den Vorteil, dass der Haupt-Ausgangsenergiestrom zur Formhülse strömt, wie es bereits beim ersten Heizelement zu sehen war.
Das erste Heizelement kann eine mantelähnliche oder ringförmige Form haben, in welcher das erste Heizelement, um die Formhülse herum oder in ihr positioniert ist. Der erste Wärmeisolator kann ebenfalls ein mantelähnliches oder ringförmiges Element umfassen, das um das erste Heizelement herum positioniert ist.
Jeder Formbereich kann weiter eine mantelähnliche Schneidehülse umfassen, die in dem Hohlraum positioniert ist, wobei die Formhülse in der Schneidehülse platziert ist. Die Schneidehülse ist vorzugsweise ein mantelartiges Element, bei welchem die Oberseite ausgebildet ist, um Produkte gemeinsam mit einer Schneideplatte in einer gegenüberliegenden Form aus der Folie auszuschneiden oder auszustanzen.
Die Schneidehülse liegt vorzugsweise an der Bodenplatte auf. Dadurch besteht ein direkter Wärmekontakt. Wenn die Bodenplatte abgekühlt wird, wie oben beschrieben, wird somit auch die Schneidehülse gekühlt.
Wenn eine Schneidehülse verwendet wird, befindet sich der erste Wärmeisolator vorzugsweise zwischen der Schneidehülse und der Formhülse. Dadurch wird erreicht, dass die Schneidehülse im Wesentlichen relativ zur Formhülse wärmeisoliert ist. Eine Wärmeexpansion der Schneidehülse, in Folge der Erwärmung der Formhülse kann hierdurch vermieden oder begrenzt werden. Der erforderliche Spalt zwischen der Schneidplatte und der Schneidehülse wird hierdurch nicht beeinträchtigt.
Die Formhülse kann eine längliche Form haben. Die ersten Wärmeisoliermittel können weiter ein Abstandselement umfassen, um die Formhülse in einem Abstand relativ zur Schneidehülse oder der Bodenplatte quer zu einer Längsrichtung der Formhülse zu halten. Dieses Abstandselement umfasst zum Beispiel einen O-Ring.
Die ersten Wärmeisoliermittel können weiter einen hohlen Luftzylinder umfassen, der zwischen der Formhülse und der Schneidehülse und/oder zwischen der Formhülse und der Bodenplatte geformt ist. In einer Ausführungsform wird der hohle Luftzylinder dadurch gebildet, dass die Schneidehülse und die Formhülse oder die Schneidehülse und die Bodenplatte durch das Abstandselement in einem Abstand zueinander gehalten werden.
Die Formhülse und/oder die Schneidehülse, können mit einer Vertiefung in Querrichtung ausgestattet sein, um den hohlen Luftzylinder zu bilden. In solche einem Fall wird ein Luftzylinder gebildet, selbst wenn kein Abstandselement verwendet wird.
Wie oben ausgeführt, wird empfohlen, dass die Schneidehülse nicht oder kaum erhitzt wird. Dies betrifft hauptsächlich die Komponenten der Schneidehülse, die direkt bei der Stanz- oder Schneidbewegung beteiligt sind, wie zum Beispiel eine Oberkante. Es ist jedoch nicht in allen Fällen wünschenswert, die Kristallinität aller Teile des Produkts zu erhöhen. Ein Beispiel ist ein Becher mit einer Oberkante, die nach dem Formen des Produkts zusätzlich verformt wird, um es einem Benutzer zu erleichtern, aus dem Becher zu trinken. Ein solcher Vorgang wird als „Rollbiegen“ bezeichnet. Während dieses Vorgangs wird das bereits geformte Produkt erhitzt, wobei nur die Oberkante rollgebogen wird. Wenn das gesamte Produkt eine erhöhte Kristallinität hätte, wäre ein solches Verfahren sehr schwierig durchzuführen.
Bei manchen Produkten wird es deshalb empfohlen, dass die Formhülse an einer Kontaktfläche mit der Schneidehülse oder der Bodenplatte in Kontakt kommt. Diese Kontaktfläche kann ringförmig oder mantelartig sein. Es kann jedoch auch eine Vielzahl individuell separater Kontaktflächen in der peripheren Richtung geben. Die Formhülse gibt an und nahe den Kontaktfläche Wärme an die Schneidehülse ab, und es kann erreicht werden, dass das Produkt an und nahe diesen Flächen keine Struktur mit erhöhter Kristallinität erhält.
Die Kontaktfläche(n) befindet/befinden sich vorzugsweise in der Nähe einer Außenfläche der Bodenplatte, die der Kunststofffolie zugewandt ist. In einer Ausführungsform erstreckt sich der Luftzylinder zwischen der/den Kontaktfläche(n) und dem Abstandselement parallel zur Längsrichtung der Formhülse.
Jeder Formbereich kann weiter eine Formbasis umfassen, die in die Formhülse platziert ist, und zweite Heizmittel, um die Formbasis relativ zu einem Auswerferstift und/oder der Bodenplatte zu erhitzen oder erhitzt zu halten, so dass die Temperatur des Teils des Films, der an der Formbasis aufliegt, während des Kühlvorgangs lange genug oberhalb der Glastemperatur des Kunststoffs bleibt, um ein Produkt mit zumindest teilweise kristalliner Struktur zu liefern. Die zweiten Heizmittel können hier mindestens eines, aber vorzugsweise zwei aus der Gruppe umfassen, die aus zweiten Wärmeisoliermitteln und einem zweiten Heizelement besteht, wobei die zweiten Wärmeisoliermittel ausgebildet sind, um einen Wärmestrom zu blockieren oder zu begrenzen, der von der Formbasis und der Folie fort führt, und wobei das zweite Heizelement in der Nähe der Formbasis positioniert und ausgebildet ist, um sie zu erhitzen. Es wird empfohlen, dass das zweite Heizelement an der Formbasis aufliegt, um einen direkten Wärmekontakt herzustellen.
In manchen Ausführungsformen kann sich die Formbasis zum Ausstoßen eines Produkts bewegen. Jeder Formbereich kann einen Auswerferstift umfassen, um die Formbasis zum Ausstoßen zu bewegen. In diesem Fall können die zweiten Wärmeisoliermittel einen zweiten Wärmeisolator umfassen, der sich zwischen der Formbasis und dem Auswerferstift befindet.
Die Form kann einen oder mehrere Sensoren zur Erfassung einer Temperatur in der Formbasis und/oder Formhülse eines oder mehrerer Formbereiche umfassen. Es ist daher möglich, dass eine Vielzahl von Sensoren je Formbereich verwendet wird. Die Temperatur der formbestimmenden Teile kann hierdurch lokal gesteuert werden. Dies ist besonders dann der Fall, wenn die Heizelemente auch in verschiedene Bereiche unterteilt werden können, die jeweils einzeln steuerbar sind.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Formsystem bereit, dass mit einer Form mit Sensoren, wie oben beschrieben, ausgestattet ist. Dieses System umfasst weiter eine Energiequelle zum Bereitstellen von Energie an das erste und/oder das zweite Heizelement und eine Steuereinheit zum Steuern einer Strommenge, die dem ersten und/oder dem zweiten Heizelement zugeführt wird. Die Steuereinheit ist hier konfiguriert, um das System in Abhängigkeit von der Messtemperatur/den Messtemperaturen zu steuern. Dies ermöglicht es in einer Ausführungsform, die Temperatur für jeden Formbereich separat zu steuern. Dadurch wird außerdem die Option bereitgestellt, die Folie in verschiedenen Positionen verschiedenen Temperaturen auszusetzen.
Die vorliegende Erfindung stellt außerdem eine Thermoformvorrichtung bereit, die das oben beschrieben Formsystem und/oder die oben beschriebene Form umfasst.
Es wird für den Fachmann offensichtlich sein, dass eine Thermoformvorrichtung normalerweise zwei Formen umfasst. Die vorliegende Erfindung wird vorzugsweise in mindestens einer dieser Formen verwendet. Die andere Form umfasst in manchen Fällen eine bewegliche Vordehnvorrichtung, die verwendet wird, um die Folie in die Formhülse zu bringen. Es ist weiter anzumerken, dass die vorliegende Erfindung auch eine Thermoformvorrichtung betrifft, in der eine bereits bekannte Form, zum Beispiel eine obere Form mit Vordehnvorrichtung mit der Form gemäß der Erfindung kombiniert wird.
Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen detaillierter beschrieben, worin:

1 eine perspektivische TeilSchnittansicht einer Ausführungsform einer Form gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 einen Querschnitt der Ausführungsform in 1 darstellt; und
3 eine Ausführungsform eines Formsystems darstellt, das die Form in 1 umfasst.

Die Ansicht in 1 zeigt eine Form 100, in diesem Fall eine untere Form. Die Form 100 bildet einen Teil einer Thermoformvorrichtung, die außerdem eine obere Form umfasst. In dieser oberen Form ist eine Vordehnvorrichtung 9 untergebracht. Eine Kunststofffolie, die zwischen der Form 100 und der oberen Form eingeklemmt ist, kann mit der Vordehnvorrichtung 9 in eine Formhülse 2 eingebracht werden. Die Formhülse 2 wird in einen Hohlraum in einer Bodenplatte positioniert, die in 2 die Platten 8 und 8' umfasst. Es ist anzumerken, dass 1 nur die Platte 8 zeigt.
1 zeigt einen Formbereich, d. h. einen Bereich in der Form 100, in dem ein Produkt geformt wird. Die Form 100 umfasst im Allgemeinen eine Vielzahl dieser Art von Bereichen, um eine Vielzahl von Produkten im Wesentlichen gleichzeitig zu Formen. Die folgende Beschreibung betrifft einen einzelnen Formbereich. Für den Fachmann wird offensichtlich sein, dass die Erfindung auf eine Vielzahl von Formbereichen oder sogar auf jeden Formbereich angewandt werden kann.
Die Form 100 umfasst weiter eine Schneidehülse 1, die ebenfalls in den Hohlraum der Bodenplatte 8, 8' positioniert ist. Die 1 zeigt eine Kontaktfläche 10, an der die Schneidehülse 1, in Kontakt mit der Formhülse 2 kommt. Solche Oberflächen können in der peripheren Richtung in separaten Positionen angeordnet sein. Es ist auch möglich, dass diese Oberflächen in Kontakt miteinander kommen, wodurch ein Ring bestimmt wird. Die Schneidehülse 1 und die Formhülse 2, stehen an der Kontaktfläche/den Kontaktflächen in direktem thermischem Kontakt miteinander.
Die Form 100 umfasst weiter eine Formbasis 3, die beweglich in der Formhülse 2 untergebracht ist.
2 zeigt einen Auswerferstift 15, der mit einem Wärmeisolator 5 verbunden ist. Dieses Element sorgt für eine Wärmeisolierung zwischen einer Formbasis 3 und einem Auswerferstift 15. Diese Isolierung wird bereitgestellt, um zu verhindern, dass die Formbasis 3 aufgrund des Auswerferstifts 15 zu stark gekühlt wird, der in der Praxis aktiv gekühlt wird (Kühlung nicht dargestellt).
Ein Heizelement ist ebenfalls angeordnet, um die Formhülse 2 zu erhitzen. Es handelt sich um ein mantelähnliches Element 4, das gegenüber der Schneidehülse 1 durch einen Wärmeisolator 6 thermisch isoliert ist.
Heizelemente 4, 7 können zum Beispiel als elektrische Heizelemente ausgeführt sein. Die Erfindung schließt jedoch nicht die Verwendung anderer Heizelemente, wie zum Beispiel Elemente auf der Grundlage von Flüssigkeit oder Induktion aus. Die Erfindung kann auch in Ausführungsformen ohne Heizelemente angewandt werden, in denen die Formhülse von der erhitzten Folie erhitzt wird.
Die Schneidehülse 1 und die Formhülse 2 werden von einem Abstandselement in einem Abstand voneinander gehalten, das als wärmebeständiger O-Ring 12 ausgeführt ist. Dadurch wird ein Luftspalt 11 zwischen der Schneidehülse 1 und der Formhülse 2 erzeugt. Der Luftspalt 11 erstreckt sich um die Formhülse 2, so dass ein Luftzylinder geformt wird, der im Wesentlichen mit stationärer Luft gefüllt ist. Der O-Ring 12 sorgt auch für eine Positionierung der Formhülse 2 relativ zur Schneidehülse 1.
Ein Temperatursensor 13 wird bereitgestellt, um die Temperatur in der Formhülse 2 zu messen. In ähnlicher Weise ist ein Temperatursensor 14 in der Formbasis 3 angebracht, um die Temperatur zu messen.
3 zeigt eine Ausführungsform eines Formsystems 200, das eine Form 100 umfasst. 3 zeigt hier eine Steuereinheit 20, zum Steuern einer Strommenge, die den Heizelementen 4, 7 zugeführt wird. Ebenfalls sichtbar ist eine Energiequelle 21, die konfiguriert ist, um den Heizelementen 4, 7 Energie zuzuführen. Die Steuereinheit 20 nutzt hier Messungen durch die Sensoren 13, 14.
Es wird empfohlen, dass die Steuereinheit 20 die Temperatur für jeden Formbereich separat steuern kann, gegebenenfalls mit verschiedenen Steuerungen oder Temperatursteuerungen für die Formbasis 3 und die Formhülse 2. Eine einzelne Steuereinheit 20 kann hier für die Steuerung einer Vielzahl oder aller Formbereiche der Form 100 sorgen.
Der Betrieb der Form 100 kann wie folgt beschrieben werden:
Als erster Schritt wird eine erwärmte Kunststofffolie zwischen die obere Form und die Form 100 eingebracht. Diese Folie wird in der Formhülse 2 von der Vordehnvorrichtung 9 nach unten geschoben. Die Folie wird dann durch Vakuum oder Druckluft gegen die Wand der Formhülse 2 und der Formbasis 3 gedrückt. Die Formhülse 2 wird hier vom Heizelement 4 erwärmt und die Formbasis 3 vom Heizelement 7. Sowohl die Formhülse 2 als auch die Formbasis 3 haben hierdurch eine bestimmte Temperatur, wodurch die Temperatur der Folie über einen längeren Zeitraum oberhalb der Glastemperatur liegen wird. Wenn die Folie zum Beispiel 140 Grad Celsius hat, können die Formhülse 2 und die Formbasis 3 zum Beispiel 60 Grad Celsius haben. Die Folie kühlt dann von 140 auf 60 Grad Celsius ab und liegt dadurch über einen längeren Zeitraum oberhalb der Glastemperatur von 70 Grad Celsius. Der Kunststoff, zum Beispiel PET, hat als Ergebnis eine erhöhte Kristallinität. Dies gilt jedoch nicht für die Oberseite des Produkts. Das liegt daran, dass die Wärme in der Formhülse 2 hier durch die Kontaktflächen 10 an die Schneidehülse 1 abgegeben wird. Dieser Wärmetransport ist derart, dass die Kristallinität an der Oberseite des Produkts nicht erhöht oder nur in einem begrenzten Ausmaß erhöht wird, und dass die Erwärmung der Schneidehülse 1 für eine gute Schneid- oder Stanzarbeit akzeptabel bleibt, welches weiter unten beschrieben werden wird. Das Letztere kann relativ einfach dadurch erreicht werden, dass der Rest der Schneidehülse 1 durch den Wärmeisolator 6 nicht erwärmt wird, und dadurch, dass die Bodenplatte 8, 8', die in direktem thermischem Kontakt mit der Schneidehülse 1 steht, aktiv gekühlt wird, zum Beispiel durch eine Wasserkühlung.
Nach einer ausreichenden Zeit wird das Produkt vom Rest der Folie getrennt. Die Form 100 und die obere Form führen zu diesem Zweck einen kleinen Relativhub durch, wodurch sich die Schneidehülse entlang einer Schneidplatte in der oberen Form bewegt. Die Folie, die sich zwischen der Schneidehülse 1 und der Schneidplatte befindet, wird in Folge dieser Bewegung geschnitten.
Das Produkt kann dann ausgestoßen werden. Dies erfolgt durch Bewegen des Auswerferstifts 15 relativ zu der Bodenplatte 8, 8'. Die Formbasis 3 wird hierdurch relativ zur Formhülse 2 nach oben geschoben, und das Produkt kann aus der unteren Form 100 entfernt werden, oder es wird aus der Form 100 ausgestoßen. Hier ist anzumerken, dass der Auswerferstift 15 relativ zum Heizelement 7 thermisch isoliert ist. In einem abschließenden Schritt bewegt sich der Auswerferstift 15 zurück in seine Ausgangsposition, wonach der Vorgang wiederholt werden kann.
Das in 3 dargestellte System hat den Vorteil, dass erreicht werden kann, dass die Schneidehülse 1 und die Schneidplatte dieselbe Temperatur haben. Der Schneidspalt zwischen diesen Schneidkomponenten ist maximal nur mehrere 100 Mikrometer groß. Wenn ein Temperaturunterschied zwischen diesen Schneidkomponenten bestünde, würde das zu verschiedenen Ausdehnungen der Komponenten führen, wodurch die Formen beschädigt werden könnten. Dies würde auch zu Problemen beim Ausschneiden des Produkts aus der Folie führen, wie oben beschrieben.
Aus der obigen Beschreibung folgt, dass anstelle der gesamten Form nur die Formteile erhitzt werden. Folglich werden die Energiekosten erheblich gesenkt. Außerdem ist es möglich, dass der Boden und die Seitenwand des Produkts in der Form kristallisieren, wohingegen die Oberkante des Produkts nicht oder kaum kristallisieren kann. Dies hat den Vorteil gegenüber dem aktuellen Stand der Technik, dass ein Produkt nach dem Thermoformen auch rollgebogen werden kann. Außerdem ist es möglich, das Produkt mit erhöhter Kristallinität in der Form zu schneiden, in der das Produkt geformt ist, da die Schneidkomponenten im Gegensatz zur Formhülse und der Basis eine niedrige Temperatur haben. Dadurch wird der Einsatz einer Vielzahl von Stationen überflüssig.
Für den Fachmann wird offensichtlich sein, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die oben erwähnten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern, dass verschiedene Änderungen möglich sind, ohne vom Schutzumfang abzuweichen, der durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.

Claims

Form (100) geeignet zum Thermoformen eines Produkts aus einer erwärmten Kunststofffolie, eine Bodenplatte und eine Vielzahl von Formbereichen umfassend, wobei jeder Formbereich Folgendes umfasst: • einen Hohlraum in der Bodenplatte; • eine Schneidhülse (1); • eine Formhülse (2); • eine Formbasis (3); und • erste Erhitzungsmittel, wobei die Schneidhülse (1) eine mantelähnliche Form hat und die Schneidhülse (1) in dem Hohlraum der Bodenplatte platziert ist, wobei die Formhülse (2) in der Schneidhülse (1) angeordnet ist, und die Formbasis (3) in der Formhülse (2) angeordnet ist, wobei die ersten Erhitzungsmittel Folgendes umfassen: ein erstes Heizelement, wobei das erste Heizelement an einer Oberfläche der Formhülse (2) oder in der Formhülse (2) angeordnet und ausgebildet ist, um die Formhülse (2) zu erhitzen; und/oder erste Wärmeisoliermittel, wobei die ersten Wärmeisoliermittel ausgebildet sind, um einen Wärmestrom von der Formhülse (2) und/oder von der Formbasis (3) zur Bodenplatte und/oder zu der Schneidhülse (1) und/oder zu einem Auswerferstift (15) unterhalb der Formbasis (3) zu blockieren oder zu begrenzen; so dass jeder Formbereich erste Erhitzungsmittel umfasst, um die Formhülse (2) relativ zur Bodenplatte zu erhitzen oder erhitzt zu halten.
Form (100) geeignet zum Thermoformen eines Produkts aus einer erwärmten Kunststofffolie, die eine Bodenplatte und eine Vielzahl von Formbereichen umfasst, wobei jeder Formbereich Folgendes umfasst: • einen Hohlraum in der Bodenplatte; • eine Schneidhülse (1); • eine Formhülse (2); • eine Formbasis (3); und • Erhitzungsmittel, wobei die Schneidhülse (1) eine mantelähnliche Form hat, wobei die Schneidhülse (1) in dem Hohlraum der Bodenplatte angeordnet ist, wobei die Formhülse (2) in die Schneidhülse (1) angeordnet ist, und die Formbasis (3) in die Formhülse (2) angeordnet ist, wobei die Erhitzungsmittel Folgendes umfassen: ein Heizelement, wobei das Heizelement an eine Oberfläche der Formbasis (3) oder in der Formbasis (3) oder unterhalb der Formbasis (3) angeordnet und ausgebildet ist, um die Formbasis (3) zu erhitzen; und/oder erste Wärmeisoliermittel, wobei die ersten Wärmeisoliermittel ausgebildet sind, um einen Wärmestrom von der Formhülse (2) und/oder von der Formbasis (3) zur Bodenplatte und/oder zur Schneidhülse (1) und/oder zu einem Auswerferstift (15) unterhalb der Formbasis (3) zu blockieren oder zu begrenzen; so dass jeder Formbereich erste Erhitzungsmittel umfasst, um die Formbasis (3) relativ zur Bodenplatte zu erhitzen oder erhitzt zu halten.
Form gemäß Anspruch 1 und 2.
Form gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, wobei die ersten Erhitzungsmittel ausgebildet sind, um während des Formens des Produkts, in einer Längsrichtung der Formhülse Temperaturunterschiede in der Formhülse zu erzielen.
Form gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, die weiter Kühlmittel zum Kühlen der Bodenplatte umfasst.
Form gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste Heizelement gegen die Formhülse anliegt und/oder wobei das erste Heizelement und das erste Wärmeisoliermittel ausgebildet sind, um die Formhülse in ihrer Längsrichtung uneinheitlich zu heizen oder warm zu halten.
Form gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, wobei die Form pro Formbereich sowohl das erste Wärmeisoliermittel als auch das erste Heizelement umfasst, wobei die ersten Wärmeisoliermittel ausgebildet sind, um einen Wärmestrom zu blockieren oder zu begrenzen, der vom ersten Heizelement kommt und von der Formhülse fort gerichtet ist.
Form gemäß Anspruch 7, wobei die ersten Wärmeisoliermittel einen ersten Wärmeisolator umfassen, welcher vorzugsweise gemeinsam mit der Formhülse das erste Heizelement umschließt oder umgibt.
Form gemäß Anspruch 8, wobei das erste Heizelement eine mantelähnliche oder ringförmige Form hat und um die Formhülse herum oder in ihr angeordnet ist, wobei der erste Wärmeisolator ein mantelähnliches oder ringförmiges Element umfasst, das um das erste Heizelement herum positioniert ist.
Form gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schneidhülse gegen die Bodenplatte aufliegt.
Form gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei der erste Wärmeisolator zwischen der Schneidhülse und der Formhülse angeordnet ist.
Form gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, wobei die Formhülse langgestreckt ist, und wobei die ersten Wärmisoliermittel weiter ein Abstandselement umfassen, um die Formhülse in einem Abstand relativ zur Schneidhülse oder Bodenplatte quer zu einer Längsrichtung der Formhülse zu halten.
Form gemäß Anspruch 12, wobei das Abstandselement einen O-Ring umfasst.
Form gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, wobei die ersten Wärmeisoliermittel einen hohlen Luftzylinder umfassen, der zwischen der Formhülse und der Schneidhülse und/oder zwischen der Formhülse und der Bodenplatte geformt ist.
Form gemäß Anspruch 14, wobei die Formhülse und/oder die Schneidhülse mit einer Vertiefung in Querrichtung zum Formen des hohlen Luftzylinders ausgestattet sind.
Form gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, wobei die Formhülse an einer Kontaktfläche in Kontakt mit der Schneidhülse oder der Bodenplatte kommt.
Form gemäß Anspruch 16, wobei die Kontaktfläche ringförmig oder mantelähnlich ist.
Form gemäß Anspruch 16, wobei es eine Vielzahl individuell separater Kontaktfläche in die periphere Richtung gibt.
Form gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 16 bis 18, wobei die Kontaktfläche oder die Kontaktflächen in der Nähe einer Außenfläche der Bodenplatte angeordnet ist oder sind, die einer designierten Kunststofffolienposition zugewandt ist/sind.
Form gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, wobei jeder Formbereich weiter eine Formbasis umfasst, die in der Formhülse angeordnet ist, und zweite Heizmittel umfasst, um die Formbasis relativ zu einem Auswerferstift und/oder der Bodenplatte zu erhitzen oder zu erhitzt zu halten, vorzugsweise so, dass die Temperatur des Teils des Films, der an der Formbasis anliegt, während des Kühlens lange genug oberhalb der Glastemperatur des Kunststoffs bleibt, um ein Produkt mit zumindest teilweise kristalliner Struktur zu ergeben.
Form gemäß Anspruch 20, wobei die zweiten Heizmittel mindestens eines aus der Gruppe umfassen, die aus zweiten Wärmeisoliermitteln und einem zweiten Heizelement besteht, wobei die zweiten Wärmeisoliermittel ausgebildet sind, um einen Wärmestrom zu blockieren oder zu begrenzen, der von der Formbasis und der Folie fort gerichtet ist, und wobei das zweite Heizelement in die Nähe der Formbasis angeordnet und ausgebildet ist, um sie zu erhitzen.
Form gemäß Anspruch 21, wobei das zweiten Heizelement an der Formbasis anliegt.
Form gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 20 bis 22, wobei die Formbasis zum Auswerfen eines Produkts beweglich ist, und wobei jeder Formbereich einen Auswerferstift umfasst, um die Formbasis zum Auswerfen zu bewegen.
Form gemäß Anspruch 23, wobei die zweiten Isoliermittel einen zweiten Wärmeisolator umfassen, der zwischen der Formbasis und dem Auswerferstift positioniert ist.
Form gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, die einen oder mehrere Sensoren zum Erfassen einer Temperatur in der Formbasis und/oder Formhülse eines oder mehrerer Formbereiche umfasst.
Formsystem eine Form gemäß Anspruch 25 und Folgendes umfassend: eine Energiequelle, um ersten und/oder zweiten Heizelementen Energie zur Verfügung zu stellen; eine Steuereinheit, um eine Leistungsmenge zu steuern, die den ersten und/oder zweiten Heizelementen zugeführt wird; wobei die Steuereinheit konfiguriert ist, um abhängig von der gemessenen Temperatur oder den gemessenen Temperaturen zu steuern.
Formsystem gemäß Anspruch 26, wobei die Steuereinheit konfiguriert ist, um die Temperatur für jeden Formbereich separat zu steuern.
Thermoformvorrichtung das Formsystem gemäß Anspruch 26 oder 27 umfassend und/oder eine Form gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 25 umfassend.
Verfahren zum Thermoformen eines Produkts aus einer erwärmten Kunststofffolie mit Hilfe der Thermoformvorrichtung gemäß Anspruch 28, wobei der Kunststoff des gesamten Produkts nach dem Formen des Produkts vorzugsweise zu mindestens 15% kristallin gehalten wird.