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Verfahren und Änlage zum Herstellen von Bechern aus aufblähfähigem
Kunststoff Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Anlage zum Herstellen
von Bechern aus aufblähfähigem Kunststoff, wobei das Aufblähen durch eine Gasentwicklung
zu mikroskopisch kleinen Teilchen erfolgt.
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Es sind bereits Verfahren und Vorrichtungen zum Herstellen von Bechern
und anderen ähnlichen Behältnissen, welche aus sehr dünnem, biegsamem Klarsichtkunststoff
bestehen, bekanntgeworden. Diese Becher werden beispielsweise einer Getränkeflasche
beigegeben und nach Gebrauch wieder weggeworfen. Andere bekannte Becher sind finit
Verschlußdeckeln versehen und können mit Speisen oder anderen Waren gefüllt werden.
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Die bekannten Becher weisen den Nachteil auf, daß daß sie einmal infolge
der außerordentlich geringen Wandstärke sehr flexibel, d. h. wenig stabil sind und
daher auch leicht beschädigt werden können. Die geringe Wandstärke ist bei den bekannten
Bechern aber unbedingt erforderlich, um bei den in sehr großen Stückzahlen hergestellten
Bechern einen möglichst geringen Materialaufwand zu erreichen. Außerdem ist nachteilig,
daß die bekannten Becher eine geringe Wärmeisolierung gewährleisten, so daß dies
besonders beim Einfüllen von sehr heißen oder sehr kalten Getränken, Speisen u.
dgl. sehr unangenehm ist.
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An sich sind bereits Becher aus Schaumkunststoff, z. B. geschäumtem
Polystyrol, bekanntgeworden. Ein solcher Schaumkunststoff wird in besonderen Rührwerken
unter Einleiten von Gasen hergestellt, so daß eine beliebig verarbeitbare Schaumkunststoffmasse
entsteht. Der bauliche und fabrikationstechnische Aufwand für die Herstellung solcher
bekannter Schaumstoffe ist jedoch sehr erheblich. Außerdem wird hierbei ein Schaumkunststoff
geschaffen, der verhältnismäßig schwammartig weich ist, also eine geringe Stabilität
besitzt. Ferner sind die Poren bzw. Lufteinschlüsse sehr groß, so daß es aus diesen
Gründen erforderlich ist, auf der Innenseite der Becher massive, nicht geschäumte
Kunststoffolien zusätzlich aufzubringen. Auch hierdurch wird der fabrikationstechnische
Aufwand sehr vergrößert, so daß sich die Herstellung derartiger bekannter Becher
nur für eine langlebige Benutzung lohnt.
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Bekannt ist ferner eine Maschine zum Herstellen von Bechern, bei welcher
jedoch nicht von einem kontinuierlichen Band, erst recht nicht von einer geschäumten
Kunststoffolie ausgegangen wird, sondern von Folienplättchen, die vor dem Einführen
in die Verformungsmaschine gesondert erhitzt werden. Ein solches Erhitzen kann nur
bei dünnen massiven, d. h. nicht geschäumten Folien vorgenommen werden. Bei der
Erfindung wird von einem thermoplastischem Kunststoff ausgegangen, welcher die besondere
Eigenschaft aufweist, daß er nach Erhitzen in fließfähigem Zustand, und zwar innerhalb
eines Extruders, sowie nach Druckentlastung von innen heraus aufbläht, wobei sich
von innen eine große Anzahl mikroskopisch kleiner Gasbläschen bildet, die feinverteilt
und allseitig abgeschlossen sind, so daß der Kunststoff aufbläht. Dieses Aufblähen
stellt jedoch einen Zeitvorgang dar, d. h., die aus dem Extruder austretende Bahn
ist wegen der druckmäßigen Entspannung beim Austritt aus dem Extruder noch im Aufblähen
begriffen, so daß man die Bahn nicht in gleicher Weise wie eine massive Kunststoffolie
in heißem Zustand in einer genauen Ebene ausziehen kann. Die Folge des Aufblähens
ist, daß sich die Bahn in unregelmäßiger Weise wölbt, Wellen, Ausbauchungen bzw.
Verdickungen bildet, so daß man eine solche Bahn nicht ohne weiteres verarbeiten
kann. Es wäre zwaf. naheliegend, die Bahn nach dem Austritt aus dem Extruder zwischen
zwei, parallelgeführten Flächen zwangsweise zu führen; was jedoch eine Abkühlung
und zumindest eine Verringerung der Arbeitsgeschwindigkeit zur Folge haben würde.
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Diesen Schwierigkeiten steht die Erkenntnis gegenüber, daß durch Verwendung
eines solchen aufblähfähigen Kunststoffes für die Herstellung von Bechern gegenüber
den bisher bekannten Bechern einmal eine erhebliche Materialersparnis erzielt wird,
wodurch der Becher entsprechend leicht wird, trotzdem aber eine größere Wandstärke
als die bisher bekannten Becher erhält und infolgedessen sehr stabil und biegungssteif
ist. Als wesentlicher Gesichtspunkt kommt hinzu, daß, zufolge der zahlreichen, allseitig
in sich geschlossenen, gewissermaßen in den Kunststoff eingebetteten Gasbläschen
eine außerordentliche gute Wärmeisolierung erzeugt wird.
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Ausgehend von diesen überlegungen und den Erkenntnissen liegt der
Erfindung die Aufgabe zugrunde,
die durch die Aufblähwirkung erzeugten
Unregelmäßigkeiten. der Folienbahn..zu meistem-und die Formgebung der Becher einfach,
aber mit größter Sicherheit durchzuführen.
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Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst; daß'ein Gemenge aus Rohkunststoff
und bereits aufgeblähtem, zerkleinertem Kunststoff kontinuierlich zu einer Bahn
extrudiert und in an sich bekannter Weise unmittelbar hieran einem bekannten Verarbeitungsvorgang
zugeführt wird; wobei- jeweils ein begrenzter Teil der Bahn am Umfang eingespannt
und der mittlere Bereich dieses Teiles mechanisch gegen eine Anlage zur Formung
des Bechers gereckt wird. Auf diese Weise wird erreicht, daß der sich aufblähende
Rohkunststoff *eine erhebliche Beruhigung und Verlangsamung des Aufblähvorganges
erfährt, so daß die aus dem Extruder 'austretende Bahn infolge der Beruhigung wenigstens
-eine kurze Zeit nicht dazu neigt, sich zu werfen bzw. Unregelmäßigkeiten in der
Bahndicke zti bilden. Diese kurze Zeit, innerhalb welcher die aufgeblähte Kunststoffolie
auch ihre vom Erhitzungsvorgang ; im . Extiuder innewohnende Wärme beibehält, genügt,
um die heiße verformbare Folie dem Verarbeitungsvorgang zuzuführen.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung - der Erfindung wird dadurch erreicht,
daß sowohl der Rohkunststoff als auch der bereits aufgeblähte Kunststoff in Granulatform
in den Extruder eingegeben wird und daß das Mischungsverhältnis von Rohkunststoff
zu aufgeblähtem -Kunststoff etwa zu gleichen Volumteilen .gewählt ist: , Die in
der oben erläuterten Weise .nach der . Erfindung hergestellten.Becher besitzen.
neben einer großen Stabilität eine; so gute' Wärmeisolierung, daß man sie ohne weiteres
von außen.anfassen kann; selbst wenn sehr heiße oder- sehr kalte Einfüllgüter darin
enthalten sind.
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Eine besonders vorteilhafte Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird, erzielt durch die . Kombination eines an sich bekannten Extruders,
welcher mit einer . horizontal gerichteten Breitdüse für das Extrudieren von aufblähfähigem
Kunststoff versehen.. ist, mit einer. der Breitdüse unmittelbar nachgeordneten Becherformmaschine,
welche. eine Vorrichtung zum. Einspannen der Folie entsprechend dem Becherrand,
einen auf der Innenseite der Folie anliegenden Formstempel und einen außen anliegenden
Gegenstempel, eine Becherform, Führungen für das Verschieben der beiden Stempel
in das Innere der Form und eine Vorrichtung zum Einleiten: von Druckluft in. das
Innere des Bechers zum Kühlen und Lösen des-. Bechers von dem Formstempel: und .
der ,Formwandung und eine Vorrichtung -zum Abschneiden des _Becherrandes aufweist,
wobei die Stempel so auf die Form abgestimmt sind, daß zwischen. ihnen und der Form
nur Raum für die aufgeblähte Folie verbleibt.. _.
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In der Zeichnung ist ein. Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen.
Anläge dargestellt, und zwar zeigt. .... - ,.
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F i g: l eine Seitenansicht der Gesamtanlage mit Extruder und;Becherformmaschine,
F i g. 2 einen-, Horizontalschnitt durch einen Teil der Anlage gemäß Schnittlinie
II-II in F i g. 1, F i -g. 3 einen Teilquerschnitt gemäß Schnittlinie III-III in
F i g: 1; F i -g. 4. eine Einzelheit aus F i g, 1 im Schnitt und in vergrößerter
Darstellung, F i g. 5 eine Ansicht zu F ig:,4 gemäß .Linie V-V, Fig.6 das Austrittsende-
des Extruders in Seitenansicht, F i g. 7 einen Längsschnitt durch die Breitdüse
gemäß F i g. 6; F i g: 8, einen Schnitt gemäß Schnittlinie VHI-VIII inFig.7, F i
g. 9 einen Schnitt durch die Mündung der Breitdüse gemäß F i g. 7 in vergrößertem
Maßstab, F i g. 10 einen Längsschnitt durch einen fertigen Becher und F i g. 11
eine Draufsicht auf den Becher.
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Der linke Teil der in F i g. 1 dargestellten Anlage wird von einem
Extruder 1 gebildet, welcher mit einem Einfülltrichter 2 für den zu verarbeitenden,
noch näher beschriebenen Kunststoff versehen ist. In an sich bekannter Weise besteht
der Extruder im wesentlichen aus einem Aufnahmebehälter für den Kunststoff, der
beheizt und unter Druck gesetzt werden. kann, so däß der flüssige, bis pastöse Kunststoff
zweckmäßigerweise mittels einer Schnecke an dem Austrittsende 3 ausgepreßt wird.
Diesem. Ende ist eine Breitdüse 4 vorgeschaltet, aus welcher, eine heiße
Kunststoffolie 5 austritt.
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In den F i g. 6 bis 9 ist die Breitdüse in einem Aus= führungsbeispiel
im einzelnen dargestellt. Die Breitdüse 4 besteht im wesentlichen aus zwei
symmetrisch zu einer horizontalen .Mittelebene., ausgebildeten Platten 6 -und 7,
die .durch Scliraubenbolzen 20. -aufeinandergepreßt werden können. Mittels. eines
Gewindes 8 können die beiden Platten der. Breitdüse außen auf einem Rohrstutzen
des Ausganges 3 aufgeschraubt werden, so daß die Innenfläche des Rohr-Stutzens eine
kegelstumpfförmige Ausnehmung 9 und von dort aus in die eigentliche Breitdüse
10: -übergeht. Vorteilhaftecweise besitzt die Breitdüse zwei seitliche Vertiefungen
18, 19,.durch welche bezweckt wird, daß der Kunststoff besser .nach den.
Seiten. zu verteilt wird. Er hat dann Gelegenheit; vor Eintritt in die engste schlitzförmige
Düsenstelle sich noch in der Querzinne 11 auf . die Breite auszugleichen.
Unter dem Druck des Extrüders tritt -der Kunststoff sodann durch den sich verengenden
Teil 14 durch den Schlitz 15 ` nach außen. Dieser , eigentliche Iippenförmige Düsenteil
wird von zwei eingesetzten Leisten 12;13 gebildet, die in den Breitdüsenkörper eingesetzt
sind. In der Nähe der Mündung 16 sind die beiden Austrittskanten 17 unter
'eineue Winkel von beispielsweise etwa 30° .gegenüber der Horizontalen erweiternd
schräggestellt.
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Von dem Extruder h: gelangt. die heiße Folie auf den Tisch 21 der
Becherfornunaschine gemäß den F i g.1, 2,4 und 5. Die' Becherformmaschine besteht
im wesentlichen aus .einem Unterteil, welches unterhalb - der Tischfläche 21 in
dem in F i g. l schematisch dargestellten Gehäuse 22 die üblichen' Antriebsorganesowie
eine Steuerungseinrichtung, zweckmäßigerweise eine.. Nockensteuerung für die Betätigung.
der :gesaten Anlage, . entliält. Der nach der Herstellung der Becher verbleibende
Abfallteil 23 der . Kunststoffolie, aus welcher. gemäß- F i g. 2 jeweils zwei Becherreihen
ausgeformt worden sind, wird durch Abzugsrollen24 `abgezogen: Zweckmäßigerweise
sind die periodisch ärigetriebenen Walzen 24 etwas unterhalb der Tischebene
.angeordnet, so daß, wie später erläutert ist, die fertigen Becher über die Walzen
hinweggeblasen werden können.: Der Obertei125' der Becherfornlmaschine enthält die
eigentliche
Form, welche, wie noch im Zusammenhang mit F i g. 4 dargelegt wird, periodisch auf-
und abwärts bewegt und beim Ausschneiden des Bechers an dem Becherrand jeweils durch
eine Vorrichtung 26 mit einem Sperrbolzen verriegelt werden kann. Die Betätigung
des Sperrbolzens erfolgt pneumatisch durch die Druckluftleitung 27. Der Oberteil
ist mittels eines Ständers mit seitlichen Säulen 28; 29 aufgestellt.
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In F i g. 4 ist die eigentliche Verformungseinrichtung im Schema dargestellt,
welche nachfolgend unter gleichzeitiger Schilderung der Wirkungsweise erläutert
wird. Zunächst wird die heiße Kunststoffolie 5 im Zusammenwirken des Extruders mit
den Walzen 24 auf den Tisch 21 gebracht. Sodann wird der bewegliche Oberteil
25 mit der darin gegen die Kraft einer Feder (nicht dargestellt) um ein geringes
Maß in vertikaler Richtung verschiebbaren Form 30 nach unten .hin abgesenkt. Die
Form 30 besteht zweckmäßigerweise aus Metall und ist auf ihrer Innenfläche mit einer
Beschichtung aus Polytetrafluoräthylen versehen. Das Absenken des Oberteiles erfolgt
mittels eines doppelseitig wirkenden Druckzylinders mit Kolben (nicht dargestellt)
auf pneumatischem Weg. Ein Teil der Folie, im allgemeinen eine kreisförmige Fläche,
wird dabei zwischen dem unteren Rand 31 der Form sowie einem Außenring 32 einerseits
und der Tischfläche 21, insbesondere dem oberen Rand 33 einer Hülse 34, andererseits
eingespannt.und dabei gleichzeitig durch Wärmeableitung so weit abgekühlt, daß eine
Verformung dieses Ringteiles der Folie nicht mehr erfolgen kann, und damit wird
ein verhältnismäßig starker Becherrand gebildet.
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Sodann wird ein innerhalb der Büchse verschiebbar gelagerter Formstempel
35 nach oben hin in die Form 30 hineingeschoben, wobei der Stempel 35 den noch heißen,
am Rand eingespannten Folienteil vor sich her schiebt und in die Form 30 einpreßt.
Die Verschiebung des Formstempels 35 erfolgt pneumatisch durch den doppelseitig
steuerbaren Druckzylinder 36 mit den beiden Druckluftanschlüssen 37 und 38. Wenn
der Formstempel 35 nach' oben hin verschoben werden soll, wird durch die Druckluftleitung
38 Luft in den Zylinder geführt, so daß sich der hierin befindliche Kolben ebenfalls
nach oben hin verschiebt und über die Kolbenstange 39, einen Arm 40 und die
Schubstange 41 auf den Formstempel einwirkt. Der Formstempel 35 ist zweckmäßigerweise
aus Gründen der Wärmeisolierung aus einem Material hergestellt, welches eine weniger
gute Wärmeleitfähigkeit als Metalle besitzt. Vorzugsweise wird der Stempel aus Preßpapier,
Preßpappe oder Preßleinen gebildet. Es kann allerdings auch ein Metallkern vorgesehen
sein, welcher mit einer entsprechenden Oberflächenbeschichtung versehen ist.
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Die Schubstange 41 ist gemäß F i g. 4 hohl ausgebildet und
einerseits mit einem Druckluftanschluß 42 verbunden, andererseits ist sie im Innern
des Formstempels 35 befestigt, an dessen Stirnseite sich einige Austrittsöffnungen
43 befinden, durch welche die Druckluft hindurchtreten kann. Durch die Leitung 42
wird automatisch durch die angeschlossene Steuereinrichtung in dem Augenblick Druckluft
zugeführt, in dem der mechanische Verformungsvorgang zwischen Formstempel 35 und
Form 30 beendet ist. Der Formstempel 35 ist so bemessen, daß zwischen seiner Außenfläche
und der Innenfläche der Form 30 gerade so viel Raum verbleibt, wie er von dem Becher
eingenommen. wird. Die durch die öffnungen 43 auf die Innenfläche des geformten
Bechers zugeführte Druckluft dient einem besseren Ablösen des Bechers von dem Formstempel,
ferner zum schnelleren Abkühlen des Bechers, und schließlich trägt sie zu einer
gewissen Druckverfestigung des Bechers bei.
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Es wird hier noch darauf hingewiesen, daß koaxial zu der Form 30,
und zwar in deren Bodenstück, ein Gegenstempel 44 vorgesehen ist, welcher, vertikal
verschiebbar, mittels einer Achse 45 gehalten ist. Die Unterseite des Gegenstempels
44, die der Bodenform des zu bildenden Bechers entspricht, ist zweckmäßigerweise,
ebenso wie die Form 30, mit einer Beschichtung aus Polytetrafluoräthylen versehen.
Wenn die Form in der oben beschriebenen Weise abgesenkt worden ist, legt sich der
Gegenstempel 44 unter dem Eigengewicht auf dem mittleren Teil der heißen Folie auf,
wodurch eine gewisse Abkühlung und Verfestigung des Mittelteiles der Folie eintritt,
während die Folie von der Unterseite durch die Stirnfläche 46 des Formstempels gehalten
ist, die sich dann gerade in Höhe der Tischoberfläche 47 befindet. Während der Formgebung
verschiebt sich der Gegenstempel, ständig an der Folie anliegend, in die Form herein;
bis er die in F i g. 4 dargestellte Stellung einnimmt. In F i g. 4 ist diese Stellung
nur zur Verdeutlichung der Formoberfläche dargestellt, in Wirklichkeit würde sich
in dieser Stellung der Gegenstempel in seiner äußersten Tiefstellung befinden, wie
strichpunktiert angedeutet ist.
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Sobald, wie oben beschrieben.wurde, die Formgebung des Bechers erfolgt
ist, wird der weitere, pneumatisch arbeitende Druckzylinder 48 in Tätigkeit
gesetzt, welcher mittels einer Kolbenstänge 49 über knieförmig angelenkte Hebel
50, 51 die die beiden nebeneinander angeordneten Hülsen 34 gemäß F i g. 4
und 5 gemeinsam um ein kleines Stück nach oben hin verschiebt, wobei die Form 30
ebenfalls gegenüber dem Oberteil 25 verschoben wird, so daß der Becherrand zwischen
der Oberkante der Hülse 34 und dem Ring 32 abgeschnitten wird. Damit der Oberteil
25 dabei nicht gleichzeitig angehoben wird, wird es zuvor am oberen Ende der Stange
52 durch die Verriegelungsvorrichtung 26, 27 gesperrt. Es kann nun nach erfolgter
Abtrennung der Oberteil 25 wieder nach oben hin geführt werden, was ebenfalls
mittels eines pneumatischen Zylinders erfolgt, so daß der Gegenstempel 44 gleichzeitig
als Auswerfer für den fertigen Becher aus der Form 30 dient. Der Becher kann sodann
in Richtung des Pfeiles 53 (F i g. 1) mittels eines Blasrohres (nicht dargestellt)
fortgeblasen werden. Der gesamte erläuterte Vorgang wird vorteilhafterweise mittels
einer an sich bekannten Nockensteuerung 54 gesteuert, welcher in Zusammenwirken
mit dem vorgeschalteten. Extruder und der Transportvorrichtung für die Folie alle
anderen mechanischen Bewegungen durch pneumatische Zylinder im richtigen Takt betätigt.
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In den F i g. 10 und 11 ist ein erfindungsgemäß hergestellter Becher
im Schema dargestellt.
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Der gesamte Becherkörper ist aus einem einzigen Werkstoffstück hergestellt.
An einen nach außen umgebogenen, etwas verstärkten Rand 55 schließt sich ein kegelstumpfförmiger
Bechermantel 56 an, der in einen etwas nach innen gewölbten Boden 57 übergeht. Die
in der Zeichnung dargestellte Wandstärke
des oben offenen Bechers
ist der Deutlichkeit halber wesentlich dicker gezeichnet als sie im Verhältnis zur
Größe des Bechers tatsächlich ist. Die tatsächliche Becherwand beträgt beispielsweise
im Bereich des Randes 55 und in der Bodenfläche 57 etwa 0;6 bis 1 mm; während sie
im Bereich des Kegelstumpfes 56 beispielsweise etwa 0,3 bis. 0,5 mm beträgt bei
einer Becherhöhe von beispielsweise 90 mm.
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Wie aus der Zeichnung deutlich hervorgeht, besitzt der gesamte Becherkörper
eine große Anzahl von mikroskopisch kleinen Gasbläschen, die in sich abgeschlossen
und in der Kunststoffmasse eingebettet und durch Aufblähen von innen heraus entstanden
sind. Die Gasbläschen sind außerordentlich fein und gleichmäßig verteilt, wie rein
schematisch in der Zeichnung durch zahlreiche Pünktchen angedeutet ist. Die Zeichnung
gibt ferner wieder, daß vorteilhafterweise die Bechertiefe größer als der lichte
Randdurchmesser gewählt ist, wodurch sich der Becher besonders für die Aufnahme
von Getränken eignet. Die Becheroberfläche ist sowohl innen als auch außen praktisch
vollkommen glatt gestaltet, wodurch der Oberfläche ein gewisser Glanz verliehen
wird.
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Die Erfindung beschränkt sich nicht auf Trinkbecher der in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsform, sondern soll sich allgemein auch auf anders gestaltete
Becher sowie andere Behältnisse erstrecken, bei welchen neben einer Geschmack- und
Geruchlosigkeit und : Wasserdichtigkeit des Werkstoffes gefordert wird, daß eine
große Wärme- bzw. Kälteisolierung und eine Stabilität trotz geringen Materialaufwandes
vorhanden ist.