DE1157767B - Verfahren, Werkzeug und Rohling zum Herstellen von Hohlkoerpern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, ein Werkzeug und einen Rohling zum Herstellen von Hohlkörpern, insbesondere von Tuben, aus thermoplastischem Kunststoff, vorzugsweise aus Polyäthylen.

Es ist ein Verfahren zur Herstellung thermoplastischer Hohlkörper bekannt, bei dem ein Stempel unter Drehung gegen das Rohmaterial gepreßt wird, wobei durch die dabei entstehende Reibungswärme das Rohmaterial bis zur Verformbarkeit erwärmt und dann durch den aufgebrachten Preßdrack verformt wird. Dies Verfahren ist durch die Verwendung von zweierlei Bewegungen kompliziert und eignet sich nur zur Herstellung besonders einfacher Körper und kann nur bei wenigen Kunststoffen angewendet werden.

Es ist weiter ein Verfahren zum Verpressen warmverformbarer Kunststoffe bekannt, bei dem der vorgewärmte und in die annähernde Endgestalt des gewünschten Erzeugnisses vorgeformte Rohling durch schlagartig wirkenden Druck eines Preßstempels in einem kalten Gesenk in die endgültige Form gepreßt wird. Bei diesem bekannten zweistufigen Verfahren wird ein bereits die annähernde Endgestalt aufweisender und erwärmter Rohling in einem kalten Gesenk so schnell in die Endgestalt verpreßt, daß die im Rohling gespeicherte Wärme erst nach dem Erreichen der Endgestalt in die Wand des Gesenks abfließt. Das bekannte Verfahren kann auch als dreistufiges Verfahren ausgebildet sein, wenn zwischen der Formung des Rohlings und seiner Endverformung eine zusätzliche Erwärmung desselben erfolgt. Grundlage dieses Verfahrens ist es, den Rohling durch von außen zugeführte Wärme verformbar zu machen und ihn dann unter Druck zu verformen. Dieses mehrstufige Verfahren erfordert die Bereitstellung einer mehrteiligen, komplizierten Vorrichtung, ist zudem durch die aufzuwendende Wärmeenergie teuer und kann nur zur Herstellung relativ einfacher Körper verwendet werden, bei denen der die annähernde Endgestalt aufweisende Rohling noch handhabbar ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Hohlkörper auf einfachere, schnellere und wirtschaftlichere Weise herzustellen, als dies mit den bekannten Verfahren möglich ist.

Es ist seit über hundert Jahren bekannt, daß es möglich ist, Metalle mit Hilfe eines Stempels im Schlag-Fließpreßverfahren zu verarbeiten, um Hohlkörper, wie die herkömmlichen Zahnpastatuben, zu formen. Obwohl thermoplastische Kunstharze seit mehr als dreißig Jahren in der einen oder anderen Weise verformt worden sind, z. B. durch Gießen oder Spritzen usw., ist bisher nicht erkannt worden, daß man solche Harze auch durch Schlag-Fließpressen mit Verfahren, Werkzeug und Rohling
zum Herstellen von Hohlkörpern

Anmelder:

Crown Cork & Seal Company, Inc.,
Baltimore, Md. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Phys. W. Kemp, Patentanwalt,
Köln-Lindenthal, Laudahnstr. 27/29

Edgar G. Heyl und Ransom C. Albrecht,

Baltimore, Md. (V- St. A.),
sind als Erfinder genannt worden

einem Stempel zu Tuben oder ähnlichen Hohlkörpern verarbeiten kann.

Zur Lösung der beschriebenen Aufgabe besteht das Verfahren gemäß der Erfindung daher darin, daß Rohwerkstoff in Form eines scheibenförmigen Rohlings in ein offenes Gesenk eingelegt und durch schlagartige Einwirkung eines Stempels entgegen der Schlagrichtung unter Bildung des gesamten Hohlkörpers aus dem Gesenk verdrängt wird.

Vinylchlorid oder Vinylidenchlorid sind als Rohwerkstoff dabei besonders geeignet.

Unter Umständen kann eine Erwärmung des Stempels oder des Gesenks auf 20 bis 95° C vorteilhaft sein.

Außerdem bringt es Vorteile, wenn der Rohling vor dem Einlegen in das Gesenk mit einem Schmiermittel behandelt wird.

Das Verfahren gemäß der Erfindung arbeitet demnach derart, daß ein ganzer Hohlkörper durch Schlageinwirkung eines Stempels auf einen in einem Gesenk befindlichen Rohling nach dem Schlag-Fließpreßverfahren gebildet wird, wobei der Werkstoff des Rohlings aus dem Gesenk verdrängt wird. Es ist nur ein Werkzeug einfachster Bauweise zur Durchführung des Verfahrens erforderlich und es bedarf keines zu-

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sätzlichen Aufwandes an Wärme, um den Rohling vor der Verarbeitung zu erwärmen.

Es wurde gefunden, daß Polyäthylen für das Verfahren des Schlag-Fließpressens von Tuben und anderen Behältern aus Kunstharz besonders geeignet ist. Obwohl Polyäthylen vorzuziehen ist, ist es auch möglich, das Verfahren mit anderen thermoplastischen Harzen durchzuführen, wie z. B. mit Vinyl- und Vinylidenharzen, z. B. Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid, Vinylchlorid-Vinylacetat-Copolymerisat, Vinylchlorid-Vinyliden-Chlorid-Copolymerisat, Vinylchlorid, Acrylcopolymerisat, Polypropylen, lineare Polyester, z.B. Polyäthylen-Terephthalat, synthetische lineare Polyamide vom Nylontyp, z. B. Polyhexamethylen-Adipamid usw. Wie oben vorausgeschickt, ist Polyäthylen das vorzugsweise geeignete thermoplastische Harz. Polyäthylen hat ein Molekulargewicht zwischen 12 000 und 25 000; mit besonderem Erfolg ist ein Polyäthylen mit einem Molekulargewicht von 18 000 benutzt worden.

Das Werkzeug zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens weist Merkmale auf, die bekannt sind. So sind Gesenke bekannt, die Vertiefungen und einen in diese Vertiefungen einführbaren Stempel mit kegeliger Stirnfläche aufweisen. Bei diesen bekannten Vorrichtungen schließt sich beim Gesenk an eine zylindrische Vertiefung als Boden eine kegelige Vertiefung an, und in Bodenmitte ist noch eine Vertiefung kleineren Querschnittes angeordnet.

Das Werkzeug zeichnet sich gemäß der Erfindung dadurch aus, daß beim Gesenk der Übergang zwischen der geneigten Bodenfläche und der zylindrischen Vertiefung als gerundete Schulter ausgebildet ist.

In weiterer Ausgestaltung des Werkzeuges ist die zylindrische Vertiefung von der Schulter aus nach außen hin leicht kegelig erweitert.

Der Rohling zur Verarbeitung im Werkzeug gemäß der Erfindung nach dem Verfahren gemäß der Erfindung ist derart gestaltet, daß der scheibenförmige Rohling eine in der Mitte gelegene Öffnung von etwas kleinerem Querschnitt als die in Bodenmitte des Gesenkes angeordnete Vertiefung aufweist und diese Öffnung sowie der Rand des Rohlings vorzugsweise von zylindrischen Flächen begrenzt sind.

Die Stirnflächen des scheibenförmigen Rohlings haben kegelige Gestalt und verlaufen zueinander etwa parallel.

Der Stempel des Werkzeugs gemäß der Erfindung ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß er eine- Stirnfläche von im wesentlichen derselben kegeligen Neigung hat, wie sie der kegelige Boden des Gesenks aufweist.

In der Mitte seiner Stirnfläche weist der Stempel gemäß der Erfindung einen Führungszapfen auf.

Weitere Einzelheiten des Verfahrens, des Werkzeuges und des Rohlings gemäß der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, in dem die Herstellung einer zylindrischen Tube, die einen Kopf Meineren Durchmessers aufweist, durch Fließpressen aus einem Rohling aus Polyäthylen, das ein Molekulargewicht von etwa 18 000 hat, beschrieben wird.

Fig. 1 ist ein senkrechter Schnitt, der das Werkzeug vor dem Einwirken des Stempels auf den Rohling zeigt;

Fig. 2 ist ein senkrechter Schnitt, der das Gesenk mit dem Stempel zu Beginn der Verformung zeigt;

Fig. 3 ist ein der Fig. 2 ähnlicher senkrechter Schnitt, der aber den Stempel in im wesentlichen voller Berührung mit dem Rohling zeigt;

Fig. 4 ist ein der Fig. 3 ähnlicher senkrechter Schnitt, der eine spätere Arbeitsstufe zeigt, bei welcher das Rohmaterial angefangen hat, sich an der Formwand nach oben zu bewegen;

Fig. 5 ist ein senkrechter Schnitt, der eine nächste Arbeitsstufe zeigt, bei welcher das Rohmaterial über

ίο die Wände des Gesenkes hinausgewandert ist;

Fig. 6 ist eine der Fig. 5 ähnliche Ansicht nach Beendigung des Fließens;

Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht des fertigen Hohlkörpers;

Fig. 8 ist ein Schnitt nach Linie 8-8 in Fig. 7;
Fig. 9 ist eine Draufsicht auf den Rohling;
Fig. 10 ist eine Seitenansicht des Rohlings;
Fig. 11 ist ein Schnitt nach Linie 11-11 in Fig. 9. Das Gesenk ist mit dem Bezugszeichen 10 versehen. Es ist mittels Bolzen 12 an einem Block 14 befestigt, der seinerseits mit der Grundplatte 16 verbunden ist. Der Block 14 kann beheizt werden, z. B. indem Dampf durch das Rohr 18 hindurchgeschickt wird. Der Hohlraum 20 des Gesenks hat eine senkrechte Symmetrieachse; er bildet eine mittlere Vertiefung 22. Unten ist die Vertiefung 22 über den größten Teil des Durchmessers offen. Ihre Wand 24 steht senkrecht. Die Bodenwand 26 des Hohlraumes 20 ist nach oben und außen von dem oberen Ende der mittleren Vertiefung her unter einem größeren Winkel bis zu einer Schulter 28 geneigt. In den Zeichnungen beträgt dieser Neigungswinkel 30°.

Von der Schulter 28 aus verläuft die Wandung 30 des Oberteils des Gesenkhohlraumes bis zum oberen Ende 32 unter einem sehr kleinen Winkel zu der senkrechten Achse geneigt nach oben, z. B. unter 0°30', wie in Fig. 2 gezeigt, so daß sie kegelstumpfförmig ist. Ein Rohling 34 aus thermoplastischem Kunstharz, z. B. Polyäthylen, von niedriger Viskositat und einem Schmelzindex von etwa 10 sowie einem Molekulargewicht von etwa 18 000 wird in das Gesenk eingesetzt. Der Rohling hat vorzugsweise eine mittlere Öffnung 36, um Materialverschwendung bei der Tubenherstellung zu vermeiden. Während er im allgemeinen die Gestalt eines abgestumpften Kegels oder Trichters hat, weist er eine wichtige Besonderheit auf. Seine Bodenfläche 38 verläuft von der mittleren Öffnung 36 aus nach oben und außen geneigt unter demselben Winkel wie der Boden 26 des Gesenks (30°, wie in Fig. 11 gezeigt), so daß der Rohling im Gesenkhohlraum durch den Boden 26 unterstützt ruht. Die Bodenfläche 38 geht mit einer Abrundung 42 in die senkrechte Seitenwand 40 über. Die obere Fläche 44 des Rohlings verläuft nach oben und außen von der mittleren Öffnung 36 her unter einem Winkel geneigt, der merklich kleiner ist als der Neigungswinkel des Bodens 26 der Form. In Fig. 11 beträgt die Neigung der oberen Fläche 44 25°. Einer der Hauptgründe dafür, daß der Neigungswinkel der oberen Fläche 44 kleiner gemacht wird als derjenige der Bodenwand 38, liegt darin, daß diese Differenz in der Neigung den Luftauslaß aus der Form während der Verformungsarbeit erleichtert.

Um den Rohling 34' in eine Tube zu verformen, wird mittels des Stempels 46 schlag- oder stoßartig darauf eingewirkt. Der Stempel hat eine senkrechte Symmetrieachse und weist einen Führungszapfen 48 mit senkrechten Wänden auf, der denselben Durch-

messer hat wie die öffnung im Boden der Vertiefung. Der Stempel erstreckt sich bei 50 vom oberen Ende des Führungszapfens 48 geneigt nach oben und außen und bildet einen Kopfteil 52. Der Neigungswinkel ist im wesentlichen derselbe wie derjenige des Formbodens 26. Der Kopfteil 52 hat eine senkrechte Seitenwand und ist beträchtlich langer als der Kopfteil von Stempeln, die üblicherweise benutzt werden, um Metallrohlinge durch Schlag-Fließpressen zu Tuben zu formen. Es hat sich als notwendig erwiesen, diesen längeren Kopfansatz zu benutzen, wenn man die besten Tuben-Werkstücke erhalten will.

Der Stempel 56 verjüngt sich von dem Kopfteil 52 aus nach hinten bei 54 bis zu einem Schaftteil 56 mit senkrechter Wandung und von kleinerem Durchmesser als der des Kopfteiles. Es wurde gefunden, daß durch die Anordnung des Abschnittes 56 von kleinerem Durchmesser auf dem Stempel ein großer Teil der unerwünschten Reibung beseitigt wird, die sich sonst ergeben würde, wenn die Tube während ihrer Formung auf dem Stempel gleitet. Weil im oberen Wandabschnitt des Formhohlraumes eine leichte Verjüngung vorgesehen ist, während die entsprechende Wandung des Kopfteiles 52 senkrecht verläuft, wird der freie Raum zwischen dem Kopfteil und der Formwand fortschreitend kleiner, wenn der Stempel in den Formhohlraum heruntergeht. Dies hat den Vorteil, daß dem Werkstoff gestattet wird, sich frei zu bewegen und auszudehnen und den ihm eingeprägten Druck wieder zu verlieren, so daß sich die Tubenwandung im wesentlichen gleichförmig aufbaut. Die Neigung der Hinterschneidung der Gesenkwand um 0°30' gestattet es dem Stempel auch, während des Formvorganges ein wenig nachzugeben.

Nachdem die fertige Tube 58, die einen offenen Halsteil 60 von kleinerem Durchmesser und eine geneigte Wandung 62 aufweist, welche den Halsteil mit dem eine senkrechte Wandung aufweisenden Hauptteil 64 verbindet, durch das Hineinstoßen des Stempels 46 in die Form gebildet worden ist, wird der Stempel 46 aus der Form wieder herausgezogen.

Die Tube haftet an dem Stempel an, kann aber durch Anwendung von Druckluft, mit der sie weggeblasen wird, leicht von ihm entfernt werden.

Bei dem beschriebenen besonderen Beispiel war das Gesenk auf etwa 95° C erwärmt, während der Stempel auf etwa 20° C warm war. Der Rohling wurde mit etwa 20° C in das Gesenk eingesetzt. Das bedeutet, daß es sich im wesentlichen um ein Kaltfließpressen handelt. Es ist möglich, das Schlag-Kaltfließpressen so auszuführen, daß das Gesenk, der Stempel und der Rohling alle 20 oder 95° C haben, oder so, daß sie irgendeine Temperatur zwischen 20 und 95° C haben. Es ist nicht notwendig, daß das Gesenk, der Stempel und der Rohling oder je zwei von ihnen dieselbe Temperatur haben, denn man erhält auch, wenn sie verschiedene Temperaturen haben, gute Ergebnisse. Im allgemeinen wurde gefunden, daß höhere Temperaturen die Klarheit des Polyäthylens verbessern, während niedrigere Temperaturen in anderer Beziehung bessere Tuben ergeben.

Durch das Verfahren nach vorliegender Erfindung erhält man eine geradegerichtete Tube aus thermoplastischem Kunstharz, die nach ihrer Formung keine Nacharbeit erfordert.

Bei dem besonderen Beispiel hatte die Vertiefung 22 des Gesenks etwa 8 mm Durchmesser und war 3,2 mm hoch. Die Öffnung im Boden der Vertiefung hatte 6,4 mm Durchmesser. Die senkrechte Höhe des geneigten Bodens 26 betrug 4,8 mm.

Die senkrechte Höhe des leicht geneigten Wandabschnittes 30 betrug 12 mm. Der größte Durchmesser des Formhohlraumes (am oberen Ende 32) war 23 mm. Der Rohling 34 hatte einen größten Durchmesser von 22,7 mm und war 27 mm hoch; er hatte eine Mittelöffnung von 6,75 mm Durchmesser. Der senkrechte Abstand vom oberen Rand des Rohlings

ίο bis zum oberen Rand der Bodenfläche 38 betrug 6,4 mm. Der größte Durchmesser des Kopfteils 52 des Stempels war 22,2 mm, und der Kopfteil hatte zwischen den geneigten Schultern 50 und 54 eine senkrechte Höhe von 9,5 mm.

Die geneigte Schulter 54 war 6,4 mm hoch. Der Durchmesser des Schaftes 56 betrug 21,7 mm, ließ also einen Spielraum von 0,5 mm zwischen sich und dem Kopfteil frei. Das Spiel zwischen dem Kopfteil und dem Formhohlraum betrug am höchsten Punkt 0,76 mm.

Die dünnwandige geformte Tube war am Halsansatz 60 0,8 mm stark. Die Wandstärke nahm längs der Wandung 64 leicht zu; sie betrug etwa 0,43 mm in der Wandmitte und etwa 0,5 bis 0,53 mm an dem dem Halsteil abgewendeten Ende.

Es wurde als wünschenswert festgestellt, den Rohling aus Polyäthylen oder aus anderem thermoplastischem Material vor dem Formvorgang mit einem Schmiermittel, wie Glyzerin oder Wachs, z. B. Paraffin, zu behandeln.

Der Polyäthylen-Roling kann z. B. in Glyzerin eingetaucht werden; dann läßt man es abtropfen und tupft es ab, um den Überschuß an Glyzerin zu entfernen, bis etwa 3 bis 4% Glyzerin auf der Oberfläche des Rohlings übrigbleiben. Danach wird dann der Rohling in der in dem beschriebenen besonderen Beispiel erläuterten Weise verformt. Statt mit Glyzerin kann man das Polyäthylen zwecks Schmierung auch in Paraffin annetzen.

Es ist auch möglich, die Form selbst zu schmieren, obwohl es sich bis jetzt als besser erwies, den Rohling in der angezeigten Weise zu schmieren.

Claims (17)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zum Herstellen von Hohlkörpern, insbesondere von Tuben, aus thermoplastischem Kunststoff, vorzugsweise Polyäthylen, dadurch gekennzeichnet, daß Rohwerkstoff in Form eines scheibenförmigen Rohlings in ein offenes Gesenk eingelegt und durch schlagartige Einwirkung eines Stempels entgegen der Schlagrichtung unter Bildung des gesamten Hohlkörpers aus dem Gesenk verdrängt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Rohwerkstoff Vinylchlorid verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Rohwerkstoff Vinylidenchlorid verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel oder das Gesenk oder beide Teile auf Temperaturen von 20 bis 95° C erwärmt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der scheibenförmige Rohling vor dem Einlegen in das Gesenk mit einem Schmiermittel behandelt wird.

6. Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5, bestehend aus einem Vertiefungen aufweisenden Gesenk und einem in die Vertiefungen einführbaren Stempel mit kegeliger Stirnfläche, bei dem sich beim Gesenk an eine zylindrische Vertiefung als Boden eine kegelige Vertiefung anschließt und in Bodenmitte noch eine Vertiefung kleineren Querschnittes angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß beim Gesenk der Übergang zwischen der geneigten Bodenfläche und der zylindrischen Vertiefung als gerundete Schulter ausgebildet ist.

7. Werkzeug nach Anspruch 6, dadurch ge^ kennzeichnet, daß beim Gesenk die zylindrische Vertiefung von der Schulter aus nach außen hin leicht kegelig erweitert ist.

8. Werkzeug nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen des Gesenkes eine gemeinsame Symmetrieachse haben.

9. Rohling zur Durchführung des Verfahrens ao nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der scheibenförmige Rohling eine in der Mitte gelegene Öffnung von etwas kleinerem Querschnitt als die in Bodenmitte des Gesenkes angeordnete Vertiefung aufweist und diese Öffnung sowie der Rand des Rohlings vorzugsweise von zylindrischen Flächen begrenzt sind.

10. Rohling nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen des scheibenförmigen Rohlings kegelige Gestalt haben und zueinander etwa parallel verlaufen.

11. Rohling nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die in bezug auf den Kegel nach innen liegende Stirnfläche flacher geneigt ist als die nach außen liegende Stirnfläche.

12. Rohling nach den Ansprüchen 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser des scheibenförmigen Rohlings etwas kleiner ist als der Durchmesser der zylindrischen Vertiefung des Gesenkes an der an dessen Boden gebildeten Schulter.

13. Rohling nach den Ansprüchen 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung seiner in bezug auf den Kegel nach außen liegenden Stirnfläche etwa gleich der Neigung der kegeligen Bodenfläche des Gesenkes ist,

14. Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel eine Stirnfläche von im wesentlichen derselben kegeligen Neigung hat, wie sie der kegelige Boden des Gesenkes aufweist.

15. Werkzeug nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch einen am Stempel in axialer Richtung verlaufenden, in der Mitte seiner Stirnfläche angeordneten Führungszapfen.

16. Werkzeug nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel in dem seiner Stirnfläche benachbart liegenden Bereich einen zylindrischen Kopfteil von gegenüber der zylindrischen Vertiefung des Gesenkes entsprechend der Wandstärke des zu erzeugenden Hohlkörpers kleinerem Querschnitt aufweist, an dem ein kegeliger Schaftteil als Übergang zu einem Schaftteil kleineren Durchmessers angeschlossen ist.

17. Werkzeug nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Kopfteiles des Stempels und die Tiefe der zylindrischen Vertiefung des Gesenkes etwa gleich groß sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 752 493;
österreichische Patentschrift Nr. 188 508;
schweizerische Patentschrift Nr. 319 678;
USA.-Patentschrift Nr. 2 399 592.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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