Die Erfindung befaßt sich mit der Gestaltung von Bodenflächen
- in diesem technischen Gebiet "Bodengeometrie" genannt -, an
Kunststoff-Flaschen, die aus einer Preform (einem spritzguß
geformten Rohling) in zwei Blasformungen (Einbringen von hohem
Druck) geformt werden. Diese Kunststoff-Flaschen sind heiß
waschbar, dürfen sich also bei einer Temperatur von oberhalb
60°C oder 75°C von ihrer Geometrie her nicht spürbar verändern.
Die genannte Temperatur betrifft die Temperatur der
Waschflüssigkeit, bei der die Flaschen thermisch stabil bleiben
müssen; geringe geometrische Verformungen, die die mechanische
Stabilität oder die Standfestigkeit nicht beeinträchtigen,
können toleriert werden. Diese Anmeldung beansprucht ein
Zusatzverhältnis zur 195 15 516.5.
Zumeist werden die Kunststoff-Flaschen aus PET hergestellt, das
in einer oder mehreren Schichten die Flaschenwandung bildet. Im
Bodenbereich müssen die Flaschen sicher stehen und stabil gegen
inneren Druck sein. Diese Stabilität betrifft die Gebrauchs-Stabilität.
Eine andere Stabilität ist oben erwähnt und betrifft
die Temperatur-Stabilität beim heißen Waschen der Flasche, also
die Voraussetzung der Wiederverwendbarkeit. Eine zusätzliche
Eigenschaft kommt nun dem Bodenbereich zu, er muß
"inspektionsfähig" sein, womit der Fachmann in diesem
technischen Gebiet den uneingeschränkten optischen Einblick in
den Bodenbereich in Flaschenachse versteht. Diese
Bodeninspektion darf nicht beeinflußt sein von Schatten und
anderen Lichtbrechungen, weil dann eine visuelle Kontrolle der
leeren Flasche mittels Kamera oder Auge nicht möglich ist.
Die Erfindung möchte hinsichtlich der Inspektionsfähigkeit keine
Einschränkungen des Bodendurchmessers in Kauf nehmen, wie das im
Stand der Technik z. B. dadurch der Fall ist, daß Flaschen eine
nach außen gerichtete, im wesentlichen halbkugelförmige
Bodengeometrie erhalten und durch umfängliches Einziehen in
einen Kunststoff-Stützring gestellt werden, damit sie eine
sichere Aufstandsfläche haben. Bei dieser Lösung wird die
Inspektionsfähigkeit verringert, weil der die radiale Einziehung
des Flaschenunterteils verursachende Kunststoff-Standfuß optisch
nicht durchlässig ist. Funktionell weist er eine solche
Geometrie auf, die - selbst bei seiner optisch durchlässigen
Gestaltung - eine schattenfreie, vollumfängliche Inspektion
durch den Boden im Leerzustand nicht erlauben würde.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Bodengeometrie an
Kunststoff-Flaschen zur Verfügung zu stellen, die sowohl
thermisch stabil ist als auch ohne Schatteneffekte ist, also
vollumfänglich inspektionsfähig ist, um Restlauge (von der
Reinigung) oder Fremdkörper im Behälter sicher und zuverlässig,
also vollumfänglich, erkennen zu können, bevor die Flasche
befüllt wird.
Die vorgenannte Aufgabe löst die Erfindung durch ein
Herstellverfahren, bei dem eine "Preform" in einer ersten
Blasformung auf einem nach innen zum Blasform-Hohlraum
gerichteten Kegelstumpf aufgeformt wird und dadurch einen
kegelstumpfförmigen Flaschenboden erhält, der nach Herausnehmen
einen wellenförmigen Querschnitt aufweist (Anspruch 1) oder mit
einer Vorrichtung zur Durchführung des erwähnten Verfahrens, in
der ein Kegelstumpf-Boden in einer ersten Blasform vorgesehen
ist und eine zweite Blasform einen im wesentlichen
kuppelförmigen (domförmig nach innen gewölbten) Boden aufweist
(Anspruch 3).
Der im wesentlichen kuppelförmige Boden des Anspruchs 3 ist von
der Form her an die Bodengeometrie der aus der ersten Blasform
herausgenommenen Flasche angepaßt (Anspruch 8), so daß in der
zweiten Blasformung der Boden sich nur noch unwesentlich in
seiner Geometrie verändert, lediglich in seinen grundsätzlich
schon vorhandenen Formen verdeutlicht wird. Identität der Form
heißt aber nicht Dimensionsidentität (von den Maßen her),
sondern Gestaltungsidentität (relativer Ort der Teil-Formen und
die Teil-Formen selbst).
Im Stand der Technik ist in der DE 14 79 100 A1 in den dortigen
Fig. 13 bis 16 und der zugehörigen Beschreibungsseite 8,
letzter Absatz und 9 erster Absatz ein kegelstumpfförmiger Boden
beschrieben, auf dem eine Flasche ausgeformt wird. Diese Flasche
wird aber nicht aus einer Preform (einem spritzguß-geformten
Rohling) geformt, sondern aus einem granulierten
Polymer-Rohmaterial, das in eine zentrische Bohrung (dort mit
134 bezeichnet) eingeführt wird. Der kegelstumpfförmige Boden
der erwähnten Figuren des Standes der Technik ist auch nicht so
gestaltet, daß die Flasche beim Herausnehmen eine andere
Bodengeometrie erhält, sie bleibt insoweit vielmehr
kegelstumpfförmig. Aus den genannten Figuren des Standes der
Technik ist auch ersichtlich, daß der dort als Zwischenprodukt
gebildete Formkörper (dortiges Bezugszeichen 132) einen Gewinde- und
Griffbereich hat, der anfänglich unmittelbar dem
Bodenbereich der späteren Flasche gegenüber angeordnet ist und
sich beim Blasformen der Flasche das Kunststoffmaterial durch
den Gewindebereich hindurch bewegen muß, weshalb dauernd starker
und hoher mechanischer Druck auch während des Blasformens auf
den Zwischenkörper ausgeübt werden muß, was bei den
erfindungsgemäß verwendeten Spritzguß-Rohlingen nicht mehr der
Fall ist; hier befindet sich der Gewinde- und Griffbereich am
dem Bodenbereich gegenüberliegenden Ende der Preform.
Auch aus anderen Druckschriften des Standes der Technik
(DE 26 26 848 A1 und AT 368 462) sind Bodengeometrien von
Flaschen bekannt und dem Fachmann gut vertraut, die genau die
Gestalt haben, die der Bodenabschnitt einer Blasform ihnen gibt
und diese Gestalt behalten sie dauerhaft bei. In der
erstgenannten Druckschrift ist diese Gestalt ein treppenförmig
profilierter Kegelstumpf mit einem am oberen Ende in
entgegengesetzter Richtung verlaufenden Kuppelabschnitt
(vgl. dortige Fig. 10), diese Bodenform der Flasche verändert
sich nicht mehr nach der Formung, die durch viele konzentrische
Ringeinsätze eine kegelstumpfähnliche Bodengestalt auf Dauer
bewirken. Die zweitgenannte Druckschrift zeigt in ihrer Fig. 1
ebenfalls einen treppenförmigen Boden einer PET-Flasche, der auf
Dauer angelegt ist und der gerade in seiner Treppenförmigkeit
als vorteilhaft beschrieben wird, da er mit dieser Gestalt
überraschend allen Beanspruchungen standhält.
In allen vorgenannten Druckschriften ist nichts hinsichtlich
einer Inspektionsfähigkeit des Bodens erwähnt, auch ist es feste
Erkenntnis des Fachmanns, die Bodengestalt immer so auf Dauer
anzulegen, wie der Bodenbereich der den Boden der Flasche
formenden Blasform gestaltet ist.
Die Erfindung wendet sich von diesem Konzept ab.
Die grundsätzliche Architektur erhält der Boden gemäß der
Erfindung nach dem Abnehmen vom kegelstumpfförmigen Bodeneinsatz
bzw. nach dem Schrumpfen, der ein Ablösen von diesem Einsatz
bewirkt. Überraschend hat sich dabei herausgestellt, daß die
sich nach dem Abnehmen oder Schrumpfen ergebende Wellen-Struktur
in der Bodenarchitektur schon die Bodengestaltung ist, die volle
optische Inspektion ohne Schattenbildung bei gleichzeitiger
Temperaturstabilität erlaubt. Diese Bodengeometrie ist im
Querschnitt wellenförmig, hat also eine zum Flascheninneren
gerichtete erste Krümmung r′, die im wesentlichen kugelsegment
förmig ist, und eine zweite, nach auswärts gerichtete
Krümmung r′′, die sich an die erste Krümmung r′ anschließt.
Radial außerhalb der ersten Krümmung ist der Boden-Aufstandsring
ausgebildet, auf dem die Flasche sicher stehen kann.
Der überraschende Effekt der Erfindung wird damit begründet, daß
ein "Memory-Effekt" in dem linearen Bereich des Bodens genutzt
wird, welcher den Boden nach Entfernen des ihn stützenden
Kegelstumpfs selbsttätig wellenförmig ausbildet, wobei der Boden
im wesentlichen eigen-spannungsfrei wird (Anspruch 2).
In einer zweiten Blasformung kann dieser schon wellenförmig
ausgebildete Boden noch verdeutlicht werden, wenn er auf dem
zweiten domförmigen Blasform-Einsatz erneut blasgeformt wird.
Dieser Blasform-Einsatz hat dabei die im wesentlichen selbe
Gestaltung, wie der Boden, der sich nach dem ersten Blasformen
und dem Abnehmen von dem Kegelstumpf-Einsatz bildet, so daß nur
noch geringe Verformungen auftreten (Anspruch 8). Eine davon
kann eine gewölbt ausgebildete Kuppel sein, die dem oberen
Plateaubereich des Kegelstumpfes - abgebildet im Flaschenboden -
entspricht (Anspruch 9).
Die Kuppelform bzw. Domform des Flaschenbodens, die der Form des
Bodens der zweiten Blasform eng verwandt ist, ist eine gekrümmte
Form, ähnlich einer Kugelschicht-Form. Sie unterscheidet sich
deutlich von der Kegelstumpf-Form des ersten Blasformbodens, der
eine lineare Mantelfläche mit deutlicher Erstreckung in Richtung
eines stumpfen Winkels hat. Unter Kuppel und Kegelstumpf
versteht die Erfindung also nicht dieselben Formen.
Zwischen den beiden Krümmungen des sich nach der ersten
Blasformung ergebenden Bodens befindet sich ein Wendepunkt, der
erkennbar nach innen verschoben ist, woraus sich ergibt, daß die
erste (äußere) Krümmung deutlicher ausgeprägt ist als die zweite
(innere) Krümmung der Bodengeometrie. Entsprechend ist auch der
zweite Bodeneinsatz ausgebildet, wohingegen der erste
Bodeneinsatz mit seiner Mantelfläche für die erste Blasformung
im wesentlichen linear (oder: eben) gestaltet ist.
Der Winkel, unter dem sich der Kegelstumpf des ersten
Blasformbodens mit seiner Mantelfläche erstreckt, kann zwischen
40° und 70° liegen, vorteilhaft verläuft er unter 60°.
Der kegelstumpfförmige Boden der ersten Blasform kann als
Einsatz gestaltet sein, er kann aber auch einstückig mit der
Blasform, deren Boden er bildet, gestaltet sein.
Der Zweistufen-Blasformungs-Prozeß, der erkennbar angesprochen
wird, betrifft die Preform, die in einem ersten Blasformungs-Schritt
in einer ersten Form unter Druck zu einem
Zwischenbehälter geformt wird. Der Zwischenbehälter kann
deutlich größer sein als der endgültig angestrebte Behälter. Der
Zwischenbehälter wird durch Schrumpfen auf eine Größe gebracht,
die unterhalb derer liegt, die endgültig beabsichtigt ist. In
einer zweiten Form erhält der geschrumpfte Zwischenbehälter
seine endgültige Form. Gleichwohl bleibt der Boden in seiner
wellenförmigen Gestalt mathematisch ähnlich, was eine durch
Schrumpfen bewirkte Maßveränderung einschließt, eine
Gestaltungsidentität aber beibehält.
Beide Blasformungs-Schritte können so ausgestaltet sein, daß die
Flaschen bzw. Zwischenbehälter für jede Blasformung auf jeweils
einem Speicherrad abnehmbar angeordnet sind (Anspruch 5, 6), so
daß sie einfach geformt und stetig gekühlt werden können.
Ergänzend zu der sich überraschend ergebenden
vollinspektionsfähigen Bodengeometrie mit kegelstumpfförmigem
ersten Boden zeigt sich auch die Möglichkeit, daß Kunststoff
eingespart werden kann. Berechnungen haben gezeigt, daß bis zu
10% Material eingespart werden kann, wenn der Behälter mit einem
linearen Bodenabschnitt entsprechend dem Kegelstumpf des
Blasform-Bodens ausgebildet wird und sich nach Abnehmen von
diesem Boden eigenständig und ohne weitere Einflüsse in eine
Bodenarchitektur verformt, die schon im wesentlichen diejenige
Gestalt hat, die die endgültige Flasche später - nach Abformung
auf dem zweiten Bodeneinsatz - erhalten soll.
Aufwendige Umformungen der Bodengeometrie zur Sicherstellung
sowohl der Temperaturstabilität, der Standfestigkeit als auch
der vollen Inspektionsfähigkeit ohne Schattenbildung können
unterbleiben, so daß zusätzliche Krümmungen und Wellungen
vermieden werden. Ein künstlicher Ausgleich von Verspannungen
ist deshalb entbehrlich.
Besonders stark kommt die Materialersparnis zum Tragen, wenn mit
der Erfindung die bisher dickeren Böden von Kunststoff-Flaschen
dünner gestaltet werden können und gleichwohl thermische
Stabilität im Bodenbereich beibehalten wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer
Ausführungsbeispiele erläutert und ergänzt.
Fig. 1 ist ein Beispiel eines Kegelstumpf-Bodens 1 mit einer
linearen Mantelfläche 1a und einem am unteren Ende
stetig auslaufenden Ring-Einschnürungsbereich 1b und
einem oberen ebenen Plateau 1c.
Fig. 1a ist das Gegenstück zu Fig. 1. Es ist ein Ausschnitt
aus einer sich nach aufwärts, längs der Achse 100
erstreckenden PET-Flasche, namentlich des nach innen
gewölbten Bodenbereichs 10, der am unteren Ende eine
Ring-Aufstandsfläche oder -linie 10r aufweist. Von
dieser Aufstands-Fläche aufwärts erstreckt sich die
Außenwandung der Flasche, die hier nicht weiter
dargestellt ist.
Fig. 2 ist der zweite Bodeneinsatz oder die zweite
Bodenform 20, die mit ihrer Oberflächen-Kontur kuppel- oder
glockenförmig ausgebildet ist und eng an die in
Fig. 1a abgebildete Bodenarchitektur 10 angepaßt ist.
Fig. 2a ist die Bodengeometrie der Flasche, nach ihrer
Blasformung auf dem in Fig. 2 abgebildeten
Formboden 20, wobei die in Fig. 1a schon erkennbare
wellenförmige Geometrie 10′, 10′′, 10w hier bei
unverändertem Wendepunkt 10w eine verdeutlichte
Wellengeometrie 10′ und 10′′ aufweist.
Fig. 3 repräsentiert den Stand der Technik, bei dem der
Formboden-Einsatz 30 deutlich domförmig gewölbt ist, um
der Flasche in der ersten Blasformung eine schon stark
ausgeprägt kuppelförmige Form zu geben.
Fig. 3a repräsentiert die Bodengeometrie, wie sie nach
Schrumpfen des von dem Bodeneinsatz gemäß Fig. 3
abgenommenen Behälters und erneutem Blasformen (der
zweiten Blasformung) ausgebildet wird, wobei der
Bereich E in den Fig. 3b und 3c verdeutlicht ist.
Fig. 3b,
Fig. 3c veranschaulichen den axialen Blick L längs der
Achse 100 von Fig. 3a und einen Ausschnitt des
Querschnitts von Fig. 3a, der dort mit E bezeichnet
wird. Hier sind die Schattenbildungen erkennbar, die
bei der Bodengeometrie entstehen, deren erste
Blasformung von dem Bodeneinsatz in Fig. 3 prägend
beeinflußt wird.
In Fig. 1 ist unter einem Winkel α gegenüber der Vertikalen
(der Flaschenachse 100) eine Mantelfläche 1a eingezeichnet, die
im wesentlichen geradflächig verläuft. Der Formbodeneinsatz 1
enthält am inneren Ende der geraden Mantellinie ein ebenes
Plateau 1c, das in der Horizontalen verläuft. Am unteren,
äußeren Ende der geraden Mantelfläche 1a ist ein Ring-Einschnürungsabschnitt
1b gezeigt, der zur Ausführung der Ring-Aufstandsfläche
10r dient. Eine erste Blasformung bewirkt ein
Andrücken des Bodenabschnittes der Preform auf den Kegelstumpf-Boden
1 von Fig. 1. Es entsteht ein unter dem Winkel α
geneigter, im wesentlichen gerade verlaufender Bodenabschnitt,
der sich nach Schrumpfen der Flasche oder Abziehen der Flasche
vom Boden gemäß Fig. 1 in eine Bodengeometrie eigenständig und
ohne äußere Einflüsse wandelt, wie sie in Fig. 1a gezeigt ist.
Diese Bodengeometrie entsteht überraschend aufgrund von Lösen
innerer Spannungen nach der ersten Blasformung, dem sogenannten
"Memory-Effekt" der Preforms nach dem Streckblasen, welche
Eigenspannung durch den linearen, schräg gestellten Mantel genau
so erzeugt wird, daß sich die wellenförmige Gestalt ausbildet.
Erkennbar ist an der Geometrie eine im Querschnitt wellenförmige
Architektur, bei der eine erste, äußere Krümmung 10′ mit einem
Radius r′ ausgebildet wird, die von der Aufstandssicke 10r bzw.
der Ring-Aufstandsfläche 10r nach innen gerichtet ausgebildet
wird.
Sie mündet in einem Wendepunkt 10w, von dem ausgehend eine
entgegengesetzt gerichtete Krümmung 10′′ mit einem kleineren
Radius r′′ gebildet wird, der in ein scheibenförmiges Plateau 10k
überleitet. Das Plateau kann flach sein oder leicht gewölbt. Die
sanfte Überleitung von der oberen Krümmung r2 zum Plateau wird
über eine dritte Krümmung r3 erreicht.
Mit dieser Geometrie wird im wesentlichen ein nach innen
gewölbter Boden schon erreicht, obwohl der Bodeneinsatz 1 eine
ganz andere Bodengeometrie erwarten lassen würde, als sich nach
wesentlichem Ausgleich der inneren Spannungen tatsächlich
ergibt.
Fig. 2 zeigt einen zweiten Bodeneinsatz 20, der in seiner
Architektur eng an die entstehende Bodengestaltung der Flasche,
die in Fig. 1a gezeigt ist, angepaßt ist. Ebenso wie in
Fig. 1a sind auch hier zwei entgegengesetzt gerichtete
Radien r1 und r2 zugegen, die einen ersten gekrümmten
Bereich 20b und einen entgegengesetzt gekrümmten zweiten
Bereich 20a definieren, welch letzterer radial weiter innen
liegt, als der zuerst genannte. Der innere gekrümmte Bereich 20a
leitet über in eine schwach gewölbte, abgesetzte Kuppel 20c, die
dem Plateau 10k der Fig. 1a in ihrer Radial-Erstreckung
angepaßt ist. Der äußere gekrümmte Bereich 20b, der
Kugelschicht-Form aufweist, leitet über in den - den inneren
Bereich der Aufstandssicke 10r definierenden - Formteil-Abschnitt.
Das Ergebnis des zweiten Streckblas-Vorgangs (Blasform-Vorganges)
ist in Fig. 2a gezeigt, wo die schon in Fig. 1a
ihrem Wesen nach begründete Bodengeometrie deutlicher ausgeprägt
wird, aber nicht wesentlich verändert wird.
Die Geometrien der Fig. 1a, 2a sind im wesentlichen "ähnlich"
(im mathematischen Sinne).
Die zuletzt genannte Bodengeometrie hat eine uneingeschränkte
Inspektionsfähigkeit, die durch die vertikal eingezeichneten
Pfeile L - parallel zur Zentralachse 100 - angedeutet wird. Kein
Bereich des sich in radialer Richtung wellenförmig (im
Querschnitt) erstreckenden eingezogenen Bodens zeigt Schatten S.
Ohne Schatten kann sichergestellt werden, daß Laugenreste oder
verbleibende Verschmutzungen im Flascheninneren - nach dem
heißen Waschen - sicher erkannt werden.
Die Schattenbildung S eines Standes der Technik ist in
Fig. 3b, 3c verdeutlicht, auch ist derjenige Bereich in
Fig. 3a angegeben, der diesen Schattenbereich S - als
ringförmige Verdunkelungszone in Fig. 3b repräsentiert -
verursacht. Eine Kamera 40, die eine Linse aufweist, die so
ausgestaltet ist, daß der gesamte Bodenbereich innerhalb des
Aufstands-Ringes 10r abgebildet wird, würde den Ring gemäß
Fig. 3b als Abbild zeigen. In diesem Bereich ist eine nur
eingeschränkte optische Kontrolle - eine eingeschränkte
Inspektionsmöglichkeit - begründet, so daß dieser Bodenbereich
nicht das leistet, was mit dem Bodenbereich gemäß der Fig. 2b
nur unter Zuhilfenahme eines kegelstumpfförmigen Bodens 1 gemäß
Fig. 1 erreicht wird.
Nur zu Veranschaulichungszwecken wird das Gegenstück zu Fig. 1
in Fig. 3 abgebildet, mit dem im Stand der Technik der
Bodenbereich im ersten Blasformungs-Schritt gebildet wird, der
im zweiten Blasformungs-Schritt zu der Bodengeometrie gemäß
Fig. 3a führt. Dort ist ein beherrschendes Kugelsegment 30a
erkennbar, das nahezu den gesamten Bodenbereich einnimmt und dem
Boden eine nur einwärts gekrümmte Architektur innerhalb der
Aufstandssicke 30c bzw. 10r verleiht. Diese domförmige Struktur
wird mit einem zweiten - hier nicht dargestellten - Bodeneinsatz
erst in eine Geometrie überführt, die thermische Stabilität,
mechanische Festigkeit aber nur eingeschränkte, nicht optimale
Inspektionsfähigkeit bietet.
Der in Fig. 1 dargestellte Winkel α, der der Neigung der
Mantelfläche 1a des Kegelstumpfes aus der Vertikalen entspricht,
ist etwa 60°; er kann leicht nach aufwärts oder abwärts
verändert werden, wobei sich nach wie vor die überraschende und
eigenständige wellenförmige Verformung des von dem Kegelstumpf
abgelösten Bodens zeigt. Außerhalb der erwähnten Bereiche findet
die selbständige Verformung - erreicht über den "Memory-Effekt"
- nicht statt.