DE1554942B2

DE1554942B2 - Verfahren und Vorrichtung zur Her stellung von dünnwandigen Hohlkörpern mit biaxialer Orientierung aus einem thermoelastisch verformbaren Kunststoff

Info

Publication number: DE1554942B2
Application number: DE1554942A
Authority: DE
Inventors: Alexander Genf Jenkins; Eugen Hinwil Zuerich Weber
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1965-02-22
Filing date: 1966-02-21
Publication date: 1973-12-06
Also published as: BR6677318D0; FR1469405A; SE320490B; JPS5030099B1; DE1554942A1; NL147666B; DE1554942C3; AT308376B; NL6602200A; FI47638B; US3433862A; BE676702A; CH457813A; GB1140034A; IL25083A; FI47638C

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von dünnwandigen Hohlkörpern mit biaxialer Orientierung aus einem thermoelastisch verformbaren Kunststoff durch Pressen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Besonders sollen so Behälter oder Verpackungen für Arzneimittel, Lebensmittel, Zigaretten und andere Bedarfsgüter hergestellt werden, die bei einem Mindestaufwand an Material eine genügend hohe Schlagfestigkeit und Dimensionsbeständigkeit unter den normalen Gebrauchsbedingungen aufweisen.

Behälter, wie Dosen, Becher u. dgl., aus thermoplastischen Kunststoffen werden bereits in großer Zahl nach verschiedenen Verfahren hergestellt, beispielsweise durch Spritzguß aus vollständig geschmolzenem Ausgangsmaterial oder auch durch Blasformen oder durch Ziehen aus einem stranggepreßten und kalandrierten Folienmaterial. Die erzeugten Produkte zeigen jedoch noch nicht voll befriedigende Eigenschaften, und bei den benötigten hohen Stückzahlen stellt sich ferner die Aufgabe einer Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der Produkte, Herstellungsverfahren und dazu nötigen Maschinen.

Im einzelnen zeigen durch Spritzguß erzeugte Hohlkörper normalerweise mechanische Schwächen quer zur Fließrichtung, was eine ausgeprägte Neigung zur Ausbildung von Längsrissen unter quer zur Achse wirkenden Beanspruchungen des Gegenstands zur Folge hat. Ähnlich führt das von einem Stück Folienmaterial ausgehende Ziehverfahren normalerweise zu einem Verlust von mechanischer Festigkeit am Rand oder Mund des Gegenstandes. Außerdem ist es bei diesen beiden bekannten Verfahren schwierig, tief ausgehöhlte Körper herzustellen.

Beim bekannten Blasformverfahren ist ein wesentlicher Nachteil das Auftreten örtlicher Wandstärkeverringerungen, die nur durch komplizierte Steuerungen ausgeschaltet oder innerhalb tragbarer Grenzen gehalten werden können. Außerdem kann man durch Blasformen keine scharfen Ecken herstellen, und bei der Gestaltung und Ausbildung von Gegenständen für Blasformung muß stets an den Ecken ein verhältnismäßig großer Radius vorgesehen sein. Selbst wenn man das berücksichtigt, besteht jedoch erhebliche Gefahr, daß die Wandstärke an solchen Ecken verringert und die Bruchgefahr im Gebrauch entsprechend erhöht ist. Ferner liegt an der Ecke, wo Boden und Wände sich treffen, ein Übergang zwischen einer orientierten Struktur in den Wänden und einer nicht orientierten Struktur im Boden vor, welche die mechanische Schwäche an diesem Punkt erhöht.

Es ist bekannt, daß sich die mechanischen Eigenschaften von thermoplastischen Kunststoffen, also besonders Zug-, Schlag- und Biegefestigkeit, durch Strecken" verbessern lassen. Dabei erfolgt eine teilweise Ausrichtung der fadenförmigen Moleküle in der Streckrichtung. Quer zur Streckrichtung erfolgt aber dabei keine Verbesserung oder sogar eine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften, so daß auf diese Weise eine angestrebte Verbesserung der Produkte und Verfahren nicht erreicht werden kann.

Aus der französischen Patentschrift 1 288 393 ist es bekannt, die Mängel einer einseitigen Orientierung des Materials im Produkt dadurch zu vermeiden, daß während des Spritzvorgangs Schichten mit verschiedener Orientierung der einzelnen Moleküle überlagert werden, indem mit nebeneinanderliegenden Bereichen verschiedener Reibungskoeffizienten der Formoberflächen oder allgemeiner mit verschiedenen Fließgeschwindigkeiten über die Breite der Front gearbeitet wird, so daß sich einige Moleküle in einem Winkel zur Hauptfließrichtung ausrichten und bei mehreren nebeneinanderliegenden Abschnitten mit abwechselnd größeren und kleineren Fließgeschwindigkeiten eine fischgrätenartige Orientierung entsteht. Diese Orientierung ist aber bei einem Spritzgußverfahren an den Außenseiten des fertigen Produkts anders als in der Mitte, da sich die Formoberflächen bevorzugt abkühlen. Bei der Herstellung von

3 4

Folien erfolgt außerdem die wesentliche Orientierung Berührung miteinander rund um die Achse 2 des

beim Aufwickeln durch Strecken des Materials in Rohrstücks befinden. Es handelt sich hier um eine

Längsrichtung. Dieses bekannte Verfahren ermög- Veranschaulichung der dreidimensional auftretenden

licht also ebensowenig wie die eingangs genannten mechanischen Kräfte, was an sich an beliebig ge-

Verfahren die Herstellung von dünnwandigen Hohl- 5 formten Volumenelementen, z. B. statt kugelförmi-

körpern mit biaxialer Orientierung aus einem ther- gen auch würfelförmigen, demonstriert werden

moplastisch verformbaren Kunststoff. könnte. Die Preßkraft wirkt auf das Rohstück in

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Richtung des Pfeils P, wodurch auf jede Kugel 1 so-

Verfahren zur Herstellung von dünnwandigen Hohl- wohl von ihren Nachbarn im Rohstück als auch von

körpern mit biaxialer Orientierung aus einem ther- io den Wänden der Vorkammer eine äußere radial zu-

moelastisch verformbaren Kunststoff durch Pressen sammendrückende Kraft P₁ wirkt. Der Einlaß zum

zu schaffen, das Produkte mit guten mechanischen Formhohlraum ist ein Ringspalt 6, dessen Höhe viel

Eigenschaften bei geringem Materialaufwand liefert. kleiner als der Durchmesser einer Kugel 1 ist. Infol-

Dieses erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gedessen verformt sich jede Kugel 1, wenn sie durch gekennzeichnet, daß der auf eine im thermoelasti- 15 den Ringspalt 6 gepreßt wird, unter dem von den sehen Zustandsbereich liegende Temperatur er- Kopf- und Bodenwänden (letztere bei 3 gezeigt) des wärmte Kunststoff von der Mitte her durch einen en- zur Seitenwand des Formhohlraums führenden Ringgen radial nach außen gehenden Spalt in einen ge- spalts ausgeübten äußeren axialen Druck P₂ zu einer kühlten Formhohlraum gepreßt wird. abgeflachten Form.

Vorzugsweise wird beim erfindungsgemäßen Ver- 20 Da der Kunststoff durch Erwärmung thermoela-

fahren so vorgegangen, daß aus dem Kunststoff ein stisch ist und bei einer Temperatur unterhalb seines

Rohstück hergestellt wird und dieses nach dem Er- Schmelzpunktes ausgepreßt wird, gehorcht er dem

wärmen auf die entsprechende Temperatur durch Hooke-Gesetz, obgleich der Elastizitätsmodul sehr

den engen Spalt so gepreßt wird, daß das Verhältnis klein ist, so daß durch eine Spannung eine Verfor-

der Querschnittsfläche des Rohstücks zur Boden- 25 mung erzeugt wird. Infolgedessen streckt sich die

fläche des fertigen Hohlkörpers unter 0,5 liegt. Kugel bei ihrer Verformung radial in den Ringka-

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur nal 6, wobei auf sie in Umfangsrichtung Druckkräf-Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, te P₃ wirken, die ursprünglich gleich der Summe von j die in den Ansprüchen gekennzeichnet ist. P₁ und P₂ sind. Diesen Kräften wirken die inneren j Die in der Beschreibung und den Ansprüchen be- 30 Kräfte P₄ und P₆ entgegen. In dem Maße, wie jede j nutzte Angabe »thermoelastischer Zustandsbereich« Kugel radial nach außen gedrückt wird, führt der allbedeutet einen zwischen dem Erweichungsbereich mählich größer werdende Umfang des Ringspalts 6 und dem Schmelzbereich liegenden Zustand eines zu einer allmählichen Verringerung der in Umfangsthermoplastischen Kunststoffs, in welchem dieser richtung wirkenden Druckkräfte P₃, wodurch eine sich thermo-gummielastisch verhält und durch Druck 35 seitliche Ausdehnung der Kugel ermöglicht wird, bis oder Zug gleichzeitig mit der Verformung orientiert schließlich die ursprüngliche Kugeil völlig abgewerden kann. Zur Definition vgl. Saechtling- flacht ist zu einem keilförmigen Körper4 mit einer Zebrowski. Kunststoff-Taschenbuch, C. Han- durch die Länge der Pfeile angegebenen Verteilung ser-Verlag München, 1967, S. 116 und 117. Für ge- von in Umfangsrichtung wirkenden Druckkräften P₃. wisse Kunststoffe, besonders solche mit einem sehr 40 Ein weiteres Auspressen führt zu einer allmählichen engen Schmelzbereich, also praktisch einem scharfen Abnahme der Druckkräfte P₃, während der axiale Schmelzpunkt, wie Polyamide, ist allerdings der ther- Druck P₂ gleichbleibt.

moelastische Zustandsbereich klein. Das erfindungs- Jedes Volumenelement nimmt daher schließlich gemäße Verfahren ist daher mit besonderem Vorteil die scheiben- oder linsenförmige Gestalt des Köranwendbar bei der Verarbeitung von Kunststoffen 45 pers5 an. Das Ausmaß der erfolgten thermoelastimit einem ausgedehnten thermoelastischen Zustands- sehen Verformung längs der Achsen der radialen und bereich, wie Polystyrol und modifizierte Polystyrole, Umfangskräfte bestimmt den Grad der biaxialen Polyalkylen-Kunststoffe u. dgl., und wird Vorzugs- Orientierung des Hohlkörpers nach dem bei Abkühweise im oberen Teil des Bereichs, also nahe beim lung erfolgenden »Einfrieren«.
Erweichungspunkt, durchgeführt. 50 Eine Untersuchungsreihe wurde durchgeführt, um

Die Erfindung beruht im wesentlichen auf der Er- den biaxialen Orientierungsgrad nach Auspressen kenntnis, daß sich dünnwandige Hohlkörper mit bi- von Rohstücken drei verschiedener wärmeelastischer axialer Orientierung und entsprechend verbesserten Kunststoffe bei Temperaturen innerhalb des Erweimechanischen Eigenschaften besonders günstig durch chungsbereichs in einen Formhohlraum mit gleich-Pressen bei einer im thermoelastischen Zustandsbe- 55 bleibender Höhe von 0,2 mm zu bestimmen. Das reich liegenden Temperatur herstellen lassen, indem Ausmaß der elastischen Verformung längs der zwei der Kunststoff in diesem Bereich gegen einen von zueinander rechtwinkligen Achsen wurde gemessen Viskosität und äußerer Reibung am fließenden Mate- als Verhältnis der ausgepreßten Dimension längs jerial herrührenden Widerstand verformt und die er- der Achse zur entsprechenden Dimension nach Enthaltene biaxiale Orientierung durch Abkühlung »ein- 60 spannung durch Erwärmen auf die ursprüngliche gefroren« wird. Temperatur des Rohstücks. Die untersuchten Mate-

Zum besseren Verständnis der Erfindung sind die rialien waren:
dabei auftretenden Effekte im folgenden mit Bezug
auf F i g. 1 erläutert, die die Verformung des Kunststoffs im Ringspalt schematisch darstellt, wobei ein- 6₅ (A) Polyvinylchlorid Kalendrierqualität;
zelne Volumenelemente des Kunststoffs betrachtet _{(ß) Polyvinylchlorid mit hoher} Stoßfestigkeit;
werden. Diese Volumenelemente haben m der Vorkammer die Form von Kugeln 1, die sich in enger (C) schlagfeste Polystyrol.

5
Es wurden folgende Ergebnisse

erhalten:

A

1

554

942

B

Mat

erial
B

6

B

1
1

C

1
1

1,62:
1,29:
80

A

2,18
1,07
49

:1
:1

1,67:
1,31:
79

1,84:
1,31:
72

1,17:
1,11:
95

SchruniDfverhältnisse ....

1
1

1,88
1,48
80

:1
:1

1
1

P₄-Achse

P₅-Achse

Gleichförmigkeit (P₄/P₅, %) ...

Die letzte Zeile der obigen Tabelle drückt den Grad der Gleichmäßigkeit der biaxialen Orientierung, die für jede Probe erzielt wurde, als Prozentverhältnis zwischen der zweiten und dritten Zeile

Für jede bestimmte Form und jedes Material ist jeweils die Auspreßgeschwindigkeit von Bedeutung. Die Kombination von niedriger Auspreßgeschwindigkeit und verhältnismäßig niedriger Formtemperatur kann zu einem vorzeitigen Einfrieren des Materials führen, bevor die biaxiale Orientierung erreicht worden ist, während hohe Auspreßgeschwindigkeit und hohe Formtemperatur zu örtlichem Schmelzen des Materials infolge der in ihm erzeugten Reibungswärme führen kann. Der biaxiale Orientierungsgrad hängt stark von der Temperatur des Rohstücks und auch vom Widerstand gegen das Auspressen infolge von Viskosität und Reibung ab. Letztere erfordert eine sorgfältige Steuerung des Drucks am Preßstempel.

Für die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens sollte die Auspreßgeschwindigkeit so hoch wie möglich und der Preßdruck so gering wie möglich sein. Um diesen beiden Erfordernissen zu entsprechen, sollte die Rohstücktemperatur so nahe wie praktisch möglich am Schmelzpunkt des Materials liegen; jedoch wurde bereits festgestellt, daß bei zu hoher Arbeitstemperatur die Gefahr von örtlichem Schmelzen infolge der im fließenden Material erzeugten Reibungshitze besteht. Die optimalen Verfahrensbedingungen für irgendein bestimmtes System stellen daher im Normalfall einen Kompromiß zwischen einander widersprechenden Forderungen dar.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich dünnwandige Hohlkörper mit einer gleichmäßigen Wandstärke von weniger als 0,2 mm herstellen, wobei die Wandfestigkeit in der Umfangsrichtung, quer zur Fließrichtung des Materials, erheblich größer ist, als man sie nach irgendeinem der obenerwähnten bekannten Verfahren erhalten kann. Infolgedessen läßt sich eine wesentliche Materialeinsparung erreichen, und da die Materialkosten einen hohen Anteil der Gesamtherstellungskosten bilden, ist das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber den bekannten Verfahren erheblich wirtschaftlicher.

Besonders vorteilhaft ist die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen von dünnwandigen Hohlkörpern aus Kunststoff, die unmittelbar anschließend in bekannter Weise blasverformt werden, um ein Produkt mit geprägten oder nicht parallelen Wänden unter Ausbildung von wieder nach innen zurückkehrenden Kurven herzustellen. Dabei sind die äußeren Formwände entsprechend dem gewünschten Umriß ausgebildet, jedoch die Oberfläche des Formkerns glatt und mit einem gleichbleibenden oder wenigstens in der Fließrichtung des Materials nicht abnehmendem Querschnitt ausgebildet, und es wird zwischen dem Kern und dem über ihn ausgepreßten Hohlkörperrohling ein Medium (Gas) unter Druck eingeleitet, welches den Rohling gegen die äußere Formwand (Matrize) drückt, wobei die ihm durch den erfindungsgemäßen Preßvorgang verliehene biaxiale Orientierung erhalten bleibt und durch Abkühlen des fertigen Produkts »eingefroren« wird.

Die Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnungen weiter erläutert durch die Beschreibung beispielhafter praktischer Ausführungsformen. Es zeigt

Fig. 1 die Verformung eines kugelförmigen Kunststoffteilchens in einem Ringspalt,

F i g. 2 einen Aufriß im Schnitt einer Vorrichtung zur Herstellung eines hohlen zylindrischen Bechers, F i g. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III der Fig. 2,

Fig.4 einen Schnitt ähnlich Fig.2, wobei die Teile in ihren jeweiligen Stellungen am Ende des Auspreßvorgangs gezeigt sind.

Ein enger Formhohlraum 10 zur Herstellung eines dünnwandigen zylindrischen Bechers wird gebildet von einer Matrize 11 und einem Kern 12. Die Matrize 11 wird getragen von einer Brücke 13, die einen Teil des Maschinenrahmens bildet. Der Kern 12 wird von einem axial vor und zurück verschiebbaren Kopf 14 getragen, der einen Kühlwassereinlaß 15 und -auslaß 16 zur Versorgung einer axialen Bohrung im Kern mit Kühlwasser besitzt. Diese Bohrung ist durch eine Trennwand 17 unterteilt, um innerhalb der Bohrung einen Zwangsweg zu bilden. Ein verschiebbarer Abstreiferblock 18 umgibt den Kern 12, um den fertigen Becher vom Kern abzustreifen, nachdem der Kopf 14 mit dem Kern und dem Becher aus der Matrize 11 nach unten zurückgezogen sind.

Die Matrize 11 ist umgeben von einem Kühlwassermantel 20 mit Wassereinlaß- und auslaßrohren 19 bzw. 21.

Oberhalb des Formhohlraums 10 befindet sich eine axiale Vorkammer 22, die das eng hineinpassende Rohstück 23 aufnimmt. Dieses Rohstück wird aus thermoelastisch verformbaren Kunststoff hergestellt, der von einer Düse 27 durch einen Kanal 26 in die Kammer 24 eingespritzt wird, die sich in einem feststehenden Stutzen 25 befindet und mit dem Formhohlraum 10 und der Vorkammer 22 gleichachsig ist. Auf beiden Seiten des Stutzens 25 liegen die parallelen Arme 28 eines zweigabeligen Schiebers, der mit einem Bolzen 29 seitlich hin und her verschoben werden kann. Nahe bei den freien Enden der Arme 28 befinden sich Bohrungen 30 mit einem Durchmesser, der gerade etwas größer ist als der des Druckstempels 31, der im oberen Ende der Matrize 11 hin und her verschiebbar ist.

Wenn sich die Teile jeweils in der in F i g. 2 gezeigten Stellung befinden, ist die Kammer 24 durch die Arme 28 des Schiebers verschlossen, so daß von der Düse 27 her Kunststoff eingespritzt werden kann. Sobald das richtige Volumen des Rohstücks erreicht

ist, werden die Arme 28 in Richtung des Pfeils 28 a bewegt, um die Bohrungen 30 in Linie mit der Kammer 24 zu bringen, so daß der Druckstempel 31 durch eine als Pfeil P dargestellte Kraft hindurchgeschoben werden kann, um das Rohstück in die Vorkammer 22 zu schieben. Sobald das Rohstück 23 auf das Ende der Kerns 12 trifft, beginnt es, sich am Ringspalt 32 in den Formhohlraum 10 hinein seitlich zu verformen. Dabei wird das Material biaxial orientiert. In der in F i g. 2 bis 4 gezeigten Ausführungsform beträgt das Verhältnis der Querschnittsfläche des Rohstücks 23 zur Bodenfläche des fertigen Hohlkörpers (Bechers) ungefähr 1: 4.

Nach beendetem Einpressen des Rohstücks 23 wird der Kern 12 mit dem darauf sitzenden geformten Becher von der Matrize nach unten abgezogen. Sobald der Kern aus der Form herausgelöst ist, wird der Abstreifblock 18 festgehalten, während der Kern 12 seine Abwärtsbewegung fortsetzt. Der Kern 12 wird so aus den Abstreiferblock 18 herausgezogen, der den Becher vom Kern abstreift. Eine etwaige Überschußlänge der Wand des Bechers kann selbstverständlich abgeschnitten werden.

Die Matrize wird durch den Kühlmantel bei einer Temperatur unterhalb des Erweichungspunktes des Kunststoffs gehalten.

Bei der mit Bezug auf die F i g. 2 bis 4 beschriebenen Ausführungsform hat der Formhohlraum 10 eine zylindrische Form. Er kann jedoch jenseits des Punktes 33 auch pfannenförmig oder mit wieder zurückkehrender Kurvung geformt sein. In allen Fällen ist jedoch erwünscht, daß die gegenüberliegenden Flächen der Matrize 11 des Kerns 12 zwischen dem Ringspalt 32 und dem Punkt 33 einen gleichmäßigen Abstand aufweisen, um zur Erzielung der biaxialen Orientierung optimale Bedingungen zu erhalten.

Die Hin- und Rückführung des Druckstempels 31 kann mechanisch, elektrisch oder hydraulisch erfolgen. Der Druckstempel kann jedoch auch durch Zündung eines Treibmittels bewegt werden.

Wenn der gebildete biaxial orientierte dünnwandige Hohlkörper sofort nach seiner Bildung noch durch Blasformen weiter verformt werden soll, sind im Kern entsprechende Kanäle für die Zuführung eines den Körper gegen die entsprechend gestaltete Matrizenwand andrückenden Gases vorgesehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

309 549/354

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von dünnwandigen Hohlkörpern mit biaxialer Orientierung aus einem thermoplastisch verformbaren Kunststoff durch Pressen, dadurch gekennzeichnet, daß der auf eine im thermoelastischen Zustandsbereich liegende Temperatur erwärmte Kunststoff von der Mitte her durch einen engen radial nach außen gehenden Spalt in einen gekühlten Formhohlraum gepreßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Kunststoff ein Rohstück hergestellt wird und dieses nach dem Erwärmen auf die entsprechende Temperatur durch den engen Spalt so gepreßt wird, daß das Verhältnis der Querschnittsfläche des Rohstücks zur Bodenfläche des fertigen Hohlkörpers unter 0,5 liegt.

3. Verfahren zum Herstellen von dünnwandigen Hohlkörpern nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkörper unmittelbar nach dem Pressen in bekannter Weise blasverformt werden.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 und 2 mit einer Matrize und einem Kern, die zwischen sich den Formhohlraum bilden, und einem verschiebbaren Preßstempel zum Verformen eines Rohstücks aus thermoelastisch verformbarem Kunststoff, gekennzeichnet durch eine Vorkammer (22), deren Querschnittsfläche höchstens die Hälfte der benachbarten Stirnfläche des Kerns (12) beträgt und die durch einen feststehenden engen Ringspalt (32) unmittelbar radial in den Formhohlraum (10) mündet und in der ein ihren Querschnitt ausfüllender Druckstempel (31) verschiebbar ist, mit dem der Kunststoff aus der Vorkammer durch den Ringspalt in den Formhohlraum auspreßbar ist, und durch Kühlkanäle in der Matrize (11) und im Kern (12).

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Formhohlraum (10) zwischen Kern (12) und Matrize (11) eine gleichmäßige Weite und einen vom Bereich nahe dem Ringspalt (32) stetig größer werdenden Durchmesser aufweist.