DE19736462A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Warmverformen von Thermoplasten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Warmverformen von Thermoplasten nach dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruches 1 bzw. dem Oberbegriff des Patentanspruches 12.

Bei derartigen Verfahren bzw. Vorrichtungen kommt es ganz we­ sentlich darauf an, daß der Rohling ein zur Verformung geeigne­ tes Temperaturprofil aufweist, das dem herzustellenden Endpro­ dukt angepaßt ist. Ein derartiges Temperaturprofil kann bei komplizierten Formen des Produktes, insbesondere dann, wenn niedrige Wandstärken gewünscht sind, relativ kompliziert bzw. über die Umfangsfläche des Formkörpers hinweg sehr inhomogen seien. Gewünscht ist allerdings eine nahezu konstante Tempera­ tur über die gesamte Wandstärke, also die "Tiefe" des Rohlings. Um dies zu erreichen, wird bisher insbesondere mit Heißluft­ quellen oder auch Infrarotstrahlern, in vielen Fällen auch mit beheizten, in mehreren Stufen arbeitenden Formen (z. B. beim Tiefziehen) gearbeitet. Hierbei kann die Wärme praktisch aus­ schließlich über die Oberfläche des Rohlings zugeführt werden, so daß man zur Erzielung der konstanten Temperatur im Mate­ rialinneren, also über dessen Wandstärke auf den Wärmetransport durch Wärmeleitung innerhalb des Materials angewiesen ist. Dies wiederum setzt eine relativ langsame Erwärmung bzw. Verweilzei­ ten voraus, innerhalb derer der Temperaturausgleich (über die Tiefe des Materials) stattfinden kann. Dadurch werden Verfahren und Vorrichtung der eingangs genannten Art aufwendig und störanfällig. Insbesondere ist auch die Einstellung eines ge­ eigneten Temperaturprofils über die räumlichen Ausdehnungen des Rohlings ausgesprochen schwierig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Vor­ richtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß eine vereinfachte Erwärmung des Rohlings mit verbesserter Temperatur-Genauigkeit erzielbar ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 bzw. eine Vorrichtung nach Anspruch 12 gelöst.

Ein wesentlicher Punkt der Erfindung liegt darin, daß die Wärme über Strahlung definierter Intensität einer Strahlungsquelle dem Rohling so zugeführt wird, daß die Energie nicht nur an den Außenflächen des Rohlings sondern auch gleichzeitig im Inneren des Materials zur Temperaturerhöhung aufgenommen wird. Dies wiederum geschieht dadurch, daß das Intensitätsmaximum der Strahlungsquelle derart auf die Absorptions- bzw. Trans­ missionseigenschaften des zu bearbeitenden Thermoplasten ange­ paßt wird, daß die Energie auch tatsächlich in das Material eindringen kann und nicht - wie bei den sonst üblichen längeren Wellenlängen - schon in oberflächennahen Bereichen des Rohlings absorbiert wird.

Vorzugsweise liegt das Intenstitätsmaximum im nahen Infrarot, insbesondere bei 0,8-1,4 µm, vorzugsweise bei 0,8-1,0 µm, also in einem Bereich von Wellenlängen, die erheblich kürzer sind als die Wellenlängen, bei welchen das Intensitätsmaximum üblicher Wärmestrahlungsquellen liegt. Bevorzugtermaßen wird nicht nur eine erheblich gleichmäßigere Erwärmung des Rohlings in seiner Tiefe erreicht, sondern auch eine erheblich schnellere Erwärmung. Bei Verwendung eines Temperaturstrahlers mit zumindest im wesentlichen einem kontinuierlichen Strah­ lungsspektrum ergibt sich dies dadurch, daß bei der hier vorge­ schlagenen Einstellung des Intensitätsmaximums auf kürzere Wellenlängen die Strahlungsintensität etwa mit der 4. Potenz der Temperatur des Strahlers zunimmt.

Vorzugsweise wird die Strahlung mittels optischer Einrichtun­ gen, insbesondere Spiegel, Gitter oder dergleichen Einrichtun­ gen der Strahlungs-Optik derart verteilt dem Rohling zugeführt, daß ein der Formeinrichtung angepaßtes Temperaturprofil inner­ halb des Rohlings nach Ablauf des definierten Zeitraums einge­ stellt wird. Es wird also nicht die Strahlungsquelle z. B. durch Energiezufuhr eingestellt bzw. verändert, es wird viel­ mehr die dem Rohling zugeführte Strahlung den Anforderungen entsprechend "eingestellt". Hierbei ist es von Vorteil, daß die Strahlung ihr Intensitätsmaximum bei den vorgenannten Wellenlängenbereichen aufweist, so daß die üblichen Mittel der Strahlungs-Optik verwendbar sind.

Besonders vorzugsweise werden die zu erwärmenden Objekte bzw. Rohlinge mit einer Strahlungsflußdichte über 0,5 MW/m², insbe­ sondere über 1 MW/m² beaufschlagt.

Vorzugsweise wird die Wellenlänge des Intensitätsmaximums durch Einstellung, insbesondere aber durch eine Regelung (also Messung und Rückführung der relevanten Strahlungsgrößen) der Temperatur eines Heizelements eingestellt. Besonders bevorzugt ist hierbei die Einstellung der Wendel-Temperatur einer Halo­ genlampe. Nachdem diese auf relativ hohe, für Halogenlampen un­ üblich hohe Temperaturen (zur Erreichung der genannten kurzen Wellenlängen) eingestellt werden muß, sind vorzugsweise ent­ sprechende Maßnahmen getroffen, um dennoch eine lange Lebens­ dauer der verwendeten Halogenlampe zu gewährleisten. Insbeson­ dere werden hierfür besondere Kühlungsmaßnahmen sowohl im Be­ reich der (Quarz-)Glaskörper als auch im Bereich der Sockel der Halogenlampen getroffen.

Um nun die Intensität den Anforderungen entsprechen einzu­ stellen, wird vorzugsweise alternativ oder kumulativ die Ent­ fernung zwischen der Strahlungsquelle und dem Rohling und/oder eine optische Filtereinrichtung wie Gitter oder Graufilter oder dergleichen und/oder Choppereinrichtungen verwendet.

Bei dem kommerziell besonders interessanten Bereich der Verwen­ dung des Verfahrens zur Herstellung von Polyethylen-Flaschen wird vorzugsweise so vorgegangen, daß der definierte Aufheiz- oder Bestrahlungs-Zeitraum 10 sec, besonders bevorzugterweise 5 sec nicht wesentlich überschreitet. Dadurch ist zum einen eine gleichmäßige Erwärmung der üblichen Rohlinge oder Preforms sichergestellt, andererseits kann mit hoher Geschwindigkeit produziert werden.

Der Preform wird vorzugsweise im wesentlichen unmittelbar nach Beaufschlagung mit der Strahlung ohne wesentliche strahlungsbe­ aufschlagungsfreie Verweildauer dem Formwerkzeug, insbesondere einer Blas-Streck-Einrichtung zur Verformung übergeben. Dadurch ist sichergestellt, daß sich das (insbesondere durch Optiken) eingestellte Temperaturprofil entlang des Körper nicht durch Wärmeleitung innerhalb des Preforms verändern kann.

Zur Herstellung von Tiefziehteilen ist es bevorzugt, wenn der Rohling in einem, im wesentlichen kalten Werkzeug ohne wesent­ liche Wärmezufuhr von dem Werkzeug auf den Rohling verformt wird. Insbesondere kann dies geschehen, indem der Rohling in einem einzigen Ziehvorgang geformt wird. Dadurch ist gewähr­ leistet, daß das (insbesondere durch optische Mittel) einge­ stellte Temperatur-Profil im Rohling im wesentlichen beibehal­ ten bleibt und die Gefahr eines Anklebens des Rohlings am Tief­ ziehwerkzeug vermieden wird, wie dies insbesondere bei solchen Tiefziehwerkzeugen der Fall ist, bei welchen die Erwärmung des Rohlings durch das Werkzeug selbst erfolgt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt also eine Strahlungs­ quelle mit einer Regeleinrichtung zum Regeln eines Emissions­ wellenlängenbereichs der Strahlungsquelle derart, daß das In­ tensitätsmaximum der Strahlungsquelle in einem Wellenlängenbe­ reich liegt, innerhalb dessen der Thermoplast mit einem niedri­ gen Absorptionsgrad bzw. einem höheren Transmissionsgrad als bei längeren Wellenlängen einfallende oder auftreffende Strah­ lung absorbiert bzw. hindurchläßt oder eindringen läßt. Diese Strahlungsquelle ist vorzugsweise so ausgebildet, daß ihr In­ tensitätsmaximum im nahen Infrarot, insbesondere bei 0,8 bis 1,4 und besonders bevorzugterweise bei 0,8 bis 1,0 µm liegt. Der Absorptionsgrad soll hierbei so niedrig sein bzw. der Transmissionsgrad so hoch sein, daß eine der Dicke des zu bear­ beitenden Rohlings entsprechende Eindringtiefe der Strahlung sichergestellt ist und der Rohling nicht nur an seiner Oberflä­ che sondern von Anfang an (also ohne Temperaturausgleich über Wärmeleitung) in seinem Inneren erwärmt wird.

Vorzugsweise werden Spiegel, Gitter oder dergleichen Einrich­ tungen der Strahlungs-Optik vorgesehen, um den Rohling mit ei­ nem Temperaturprofil zu erwärmen, welches zur Formung optimal ist.

Bei der als Strahlungsquelle vorzugsweise vorgesehenen Halogen­ lampe oder dergleichen Strahlungseinrichtung mit einem Heiz­ element ist vorzugsweise zur Regelung der Wendel-Temperatur ein Stromregler vorgesehen, der einen Ist-Wert aus einem entspre­ chend ausgebildeten Fühler (Pyrometer) erhält, um die Wendel­ temperatur bzw. den Wellenlängenbereich, bei welchem sich das Intensitätsmaximum der Strahlungsquelle befindet, konstant zu halten und entsprechend den eingangs genannten Vorgaben einzu­ stellen.

Weiterhin wird auch die Intensität (durch Störgrößenaufschal­ tung bzw. einen Vergleich von Soll- und Ist-Werten) geregelt, so daß innerhalb der eingestellten Zeit der Strahlungsbeauf­ schlagung das gewünschte Temperaturprofil erreicht wird. Diese Intensitätseinstellung kann durch die Entfernung zwischen Strahlungsquelle und Rohling und/oder optische Filtereinrich­ tungen und/oder eine Choppereinrichtung geschehen, welche sozu­ sagen "Strahlungspakete" zum Rohling gelangen lassen, wobei die Choppergeschwindigkeit so gewählt ist, daß die "Paketdauern" sehr kurz sind in Relation zum Gesamtzeitraum, über welchen dem Rohling Energie zugeführt wird.

Bei der Herstellung von PET-Flaschen wird die Anordnung derart gewählt, daß der Rohling innerhalb einer Zeitdauer von unter 10 sec, vorzugsweise von unter 5 sec in den Bereich der Strah­ lungsquelle gebracht und aus diesem wieder entfernt wird, so daß kein wesentlicher Temperaturausgleich unter Abänderung des (durch optische Einrichtungen) eingestellten Temperaturprofils geschehen kann. Zusätzlich oder auch alternativ wird die ge­ samte Vorrichtung zur Herstellung von PET-Flaschen derart aus­ gebildet und mit nahe beieinander liegenden Stationen (Strahlungsquelle, Formwerkzeug) und mit schnellen Förderein­ richtungen ausgestattet, daß keine wesentliche Verweildauer des Rohlings bzw. Preforms vorliegt, innerhalb deren eine Beauf­ schlagung mit Strahlungsenergie zur Erwärmung vor der Verfor­ mung in der Blas-Streck-Einrichtung geschehen kann. Auch da­ durch wird das eingestellte Temperaturprofil im Preform erhal­ ten.

Bei der Herstellung von Tiefziehteilen wird ein Tiefziehwerk­ zeug benutzt, welches eine relativ (gemessen an den bisher be­ nutzten Tiefziehwerkzeugen) niedrige Temperatur aufweist, wobei vorzugsweise lediglich ein einziges Tiefziehwerkzeug vorgesehen ist und damit der Rohling in einem einzigen Tiefziehvorgang ge­ formt wird. Auch hierbei liegt der Vorteil wieder darin, daß keine wesentliche Veränderung des zuvor durch die entsprechende Strahlungsenergie-Zufuhr eingestellten Temperaturprofils er­ folgt.

Claims (21)

1. Verfahren zum Warmverformen von Thermoplasten, wobei ein Rohling, Preform oder dergleichen Halbzeug auf eine Ver­ formungstemperatur aufgewärmt und durch eine Formeinrich­ tung, insbesondere eine Blas(-Streck)Einrichtung, eine Tiefzieheinrichtung oder dergleichen Formwerkzeug verformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohling während eines definierten Zeitraums mit einer Strahlung definierter Intensität einer Strahlungsquelle beaufschlagt wird, die ein Intensitätsmaximum in einem Emissionswellenlängenbereich aufweist, innerhalb dessen der Thermoplast mit einem niedrigeren Absorptionsgrad Strahlung absorbiert bzw. mit einem höheren Transmissionsgrad strahlungsdurchlässig ist als bei längeren Wellenlängen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Intensitätsmaximum im nahen Infrarot liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Intensitätsmaximum bei 0,8-1,4 µm Wellenlänge, vorzugsweise bei 0,8-1,0 µm Wellenlänge liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Intensitätsmaximum in einem Wellenlängenbereich, in welchem der Thermoplast ein Absorptionsband aufweist, dessen Absorptionsgrad 75%, vorzugsweise 50% nicht über­ steigt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung mittels optischer Einrichtungen, insbeson­ dere Spiegel, Gitter oder dergleichen Einrichtungen der Strahlung-Optik derart verteilt dem Rohling zugeführt wird, daß ein der Formeinrichtung angepaßtes Temperaturprofil innerhalb des Rohlings nach Ablauf des definierten Zeitraums eingestellt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge des Intensitätsmaximums durch Einstellung, insbesondere durch Regelung der Temperatur eines Heizele­ mentes, insbesondere einer Wendel einer Halogenlampe ein­ gestellt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität durch Einstellung, insbesondere durch Rege­ lung einer Entfernung zwischen der Strahlungsquelle und dem Rohling und/oder eine optische Filtereinrichtung wie Gitter und/oder Graufilter und/oder durch Choppereinrich­ tung eingestellt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Her­ stellung von PET-Flaschen, dadurch gekennzeichnet, daß der definierte Zeitraum 10 sec, vorzugsweise 5 sec nicht wesentlich überschreitet.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Preform im wesentlichen unmittelbar nach der Beauf­ schlagung mit der Strahlung ohne wesentliche strahlungsbe­ aufschlagungsfreie Verweildauer im Formwerkzeug, insbeson­ dere in einer Blas-Streck-Einrichtung verformt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Her­ stellung von Tiefziehteilen, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohling mit einem, im wesentlichen kalten Werkzeug ohne wesentliche Wärmezufuhr von dem Werkzeug auf den Rohling verformt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohling in einem einzigen Ziehvorgang geformt wird.

12. Vorrichtung zum Warmverformen von Thermoplasten, umfassend eine Wärmezuführeinrichtung, zum Erwärmen eines Rohlings, Preform oder dergleichen Halbzeug auf eine Verformungs­ temperatur und eine Formeinrichtung, insbesondere eine Blas(-Streck)Einrichtung, eine Tiefzieheinrichtung oder dergleichen Formwerkzeug zum Verformen des aufgewärmten Rohlings, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmungseinrichtung eine Strahlungsquelle umfaßt, die mit einer Regeleinrichtung zum Regeln eines Emissions- Spektrums der Strahlungsquelle derart ausgestattet ist, daß ein Intensitätsmaximum der Strahlungsquelle in einem Emissionswellenlängenbereich liegt, innerhalb dessen der Thermoplast mit einem niedrigen Absorptionsgrad bzw. einem höheren Transmissionsgrad als bei längeren Wellenlängen einfallende oder auftreffende Strahlung absorbiert bzw. hindurchläßt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle derart ausgebildet ist und geregelt wird, daß ihr Intensitätsmaximum im nahen Infrarot liegt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle derart ausgebildet ist und geregelt wird, daß ihr Intensitätsmaximum bei 0,8-1,4 µm, vor­ zugsweise bei 0,8-1,0 µm liegt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle derart ausgebildet ist und geregelt wird, daß ihr Intensitätsmaximum in einem Wellenlängenbe­ reich liegt, in welchem der Thermoplast ein Absorptions­ band aufweist, dessen Absorptionsgrad 75%, vorzugsweise 50% nicht übersteigt.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle eine Halogenlampe oder dergleichen Strahlungseinrichtung mit einem Heizelement umfaßt, und daß die Regelung einen Stromregler zur Einstellung und Re­ gelung der Temperatur der Strahlungseinrichtung, insbeson­ dere einer Wendel der Halogenlampe umfaßt.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, gekennzeichnet durch eine Intensitätsregelungseinrichtung zur Regelung der Intensität der dem Rohling zugeführten Energie, umfassend eine Entfernungs-Einstelleinrichtung zum Einstellen einer Entfernung zwischen der Strahlungsquelle und dem Rohling und/oder eine optische Filtereinrichtung wie Gitter oder Graufilter und/oder Choppereinrichtungen.

19. Vorrichtung nach Anspruch 12 zur Herstellung von PET-Fla­ schen, gekennzeichnet durch eine Zeiteinstelleinrichtung, die derart ausgebildet ist, daß dem Rohling eine Strahlung definierter Intensität über einen definierten Zeitraum zuführbar ist, der 10 sec, vor­ zugsweise 5 sec nicht wesentlich überschreitet.

20. Vorrichtung nach Anspruch 12 zur Herstellung von PET-Fla­ schen, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle innerhalb einer im wesentlichen kon­ tinuierlich arbeitenden Produktionsstraße im wesentlichen derart unmittelbar vor der Formeinrichtung angebracht ist, daß der Preform im wesentlichen unmittelbar nach der Be­ aufschlagung mit der Strahlung ohne wesentliche strah­ lungsbeaufschlagungsfreie Verweildauer im Formwerkzeug, insbesondere in einer Blas-Streck-Einrichtung verformt wird.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18 zur Her­ stellung von Tiefziehteilen, dadurch gekennzeichnet, daß die Formeinrichtung im wesentlichen unbeheizt derart aus­ gebildet ist, daß der Rohling mit einem, im wesentlichen kalten Werkzeug ohne wesentliche Wärmezufuhr zur Tempe­ raturerhöhung des Rohlings verformbar ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziges Tiefzieh-Werkzeug vorgesehen ist.