-
Verfahren und Vorrichtung
-
zum Verformen von Kunststoffolien
Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zum Verformen von Kunststoffolien sowie eine Vorrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens.
-
Eine solche Verformung von Kunststoffolien erfolgt insbesondere bei
der Herstellung von Behältern für die Verpackung von Nahrungsmitteln oder anderen
Gegenständen mittels Verpackungsmaschinen. Zu diesem Zweck wird eine thermoplastische
Folie in einem Tiefziehwerkzeug einer Verpackungsmaschine zunächst durch Wärmeübertragung
von einer Heizplatte erwärmt.
-
Anschließend wird die Folie pneumatisch in die der Heizfläche gegenüberlieqende
nicht vorgewärmte Form hineingesaugt. Die erwärmte Folie streckt sich und stabilisiert
sich in ihrer Form nach Anliegen an den kalten Wänden des Formwerkzeuges. Die Verformung
des Materials beginnt im Moment des Ansaugens der vorgewärmten Folie in die Form
und endet bei den einzelnen Teilen der Folie jeweils dann, wenn sich die Folie durch
Anliegen an der nicht vorgewärmten Form abkühlt. Da die Ecken und Kanten einer tiefzuziehenden
Form zuletzt in Kontakt mit der Formwandung gelangen, werden diese Teile am stärksten
gedehnt und haben daher die geringste Wandstärke des tiefgezogenen Behälters. Ein
Beispiel einer so erzeugten Form ist in Figur 2 gezeigt.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Verformen von Kunststoffolien
zu schaffen, durch welches erreicht wird, daß die Ecken und Kanten nicht wie bei
den bekannten Verfahren am stärksten gedehnt werden. Dadurch werden diese Schwachstellen
einer Packung vermieden, und es wird möglich, die Gesamtfolienstärke herabzusetzen.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Verformen von Kunststoffolie
gelöst, welches gemäß der Erfindung gekennzeichnet ist durch das Einziehen der Folie,
deren Temperatur unter ihrer Verformungstemperatur liegt, in eine erwärmte Form,
bis die Folie im wesentlichen an der gesamten Formwandung anliegt.
-
Die Erwärmung der Folie zum Verformen erfolgt fortschreitend zu den
Stellen mit kleinstem Krümmungsradius der Form hin.
-
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist eine Form und
eine Einrichtung zum Einziehen der Folie in diese Form auf und ist gemäß der Erfindung
dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Folie, deren Temperatur unter der Verformungstemperatur
liegt, in Berührung gelangende Oberfläche erwärmt ist.
-
Durch Anwenden des neuen Verfahrens wird erreicht, daß die zu verwendende
Folienstärke für eine vorgegebene Materialstärke in den Ecken höchstens halb so
groß zu sein braucht wie bei herkömmlichen Verfahren.
-
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus
der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Ficuren. Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Tiefziehwerkzeug; Fig. 2 einen Schnitt durch
eine nach dem Stand der Technik hergestellten Packung; Fig. 3 einen Schnitt durch
eine gemäß der Erfindung hergestellte Packung; und Fig. 4 eine abgewandelte Ausführungsform
im Schnitt.
-
In Figur 1 ist ein Längsschnitt durch ein Tiefziehwerkzeug einer Vakuumverpackungsmaschine
aus einem Oberteil 5 und einem Unterteil 6 gezeigt. In dem Unterteil 6 ist eine
erste aus Wänden 19, 20, 22, 23 und dem Boden 28 gebildete rechteckförmige Kammer
7 und eine dazu benachbarte zweite aus dem Boden 28 und Seitenwänden 20, 22, 23
gebildete Kammer 8 vorgesehen. Das Oberteil 5 weist gegenüber den Kammern 7 und
8 vorgesehene Ausnehmungen 18, 24 auf, deren Ränder 25, 26, 27 mit den Wänden 19,
20, 22, 23 der ersten und zweiten Kammer so zusammenwirken, daß die Kammern luftdicht
verschlossen sind.
-
In der ersten Kammer 7 ist ein mit dem Unterteil 6 verbundenes, gegen
dieses aber wärmemäßig isoliertes Bodenteil 9 mit Heizelementen 11 vorgesehen, welches
mit gutwärmeleitenden Seitenwänden 11, 12, 21 verbunden ist. Auf dem Bodenteil 9
ist ein gutwärmeleitendes Füllstück 13 eingesetzt, welches die Höhe des zum Tiefziehen
erforderlichen Raumes bestimmt. Auf diesem ist eine ebenfalls gutwärmeleitende Matritze
14 angeordnet, die auf ihrer dem Oberteil 5 zugewandten Seite die Gestalt der tiefzuziehenden
Form besitzt. Die Heizelemente 10 erwärmen auf diese Weise die gesamte Seitenwandung
und die den Boden bildende Matritze 14 auf eine vorgegebene Temperatur.
-
Der von den Seitenwänden und der Matritze eingeschlossene Raum ist
über eine Mehrzahl kleiner Bohrungen 15 in der Matritze, Bohrungen 16 in den Seitenwänden
11, 12 und eine Bohrung 17 in der Wand 19 über eine nichtgezeigte Leitung mit einer
Vakuumquelle bzw. Vakuumpumpe verbunden. Zusätzlich ist in dem einen Deckel der
Kammer 7 bildenden Oberteil 5 eine Bohrung 29 vorgesehen, die mit einer nichtgezeigten
Druckluftquelle verbindbar ist.
-
In der zweiten Kammer 8 ist kein Heizelement vorgesehen.
-
Direkt auf dem Boden 28 ist ein Füllstück 30 angeordnet, über dem
eine der Matritze 14 entsprechende Matritze 31 liegt. Das Füllstück wird so gewählt,
daß sich die gewünschte Bodenhöhe in dem über der Matritze verbleibenden Raum ergibt.
Die Matritze 31 weist wie die Matritze 14 eine Mehrzahl Bohrungen 32 in den Ecken
bzw. Kanten auf, über die der von den Seitenwänden 20, 22, 23 gebildete Raum über
eine weitere Bohrung 33 in der Seitenwand 23 mit einer nichtgezeigten Vakuumpumpe
verbindbar ist. In dem als Deckel wirkenden Bereich des Oberteils 5 ist wie bei
der ersten Kammer eine Bohrung 34 vorgesehen, die über eine nichtgezeigte Leitung
mit einer Druckluftquelle verbindbar ist.
-
Die Seitenwände 19, 20 und der Boden 28 sind gegen die in der ersten
Kammer erwärmbaren Teile wärmeleitungsmäßig isoliert An dem Boden 28 sind Strömungskammern
35, 36 vorgesehen, die über eine Bohrung 37 mit einer Kühlmittelzuflußleitung und
eine Bohrung 38 mit einer Ktlhlmittelabflußleitung verbunden sind. Auf diese Weise
können die Wände des Unterteils über den Boden 28 gekühlt werden. Damit sind auch
die Wände der zweiten Kammer 8 gekühlt. Gleichzeitig wird auch die Matritze 31 durch
die Verbindung mit den Seitenwänden und über das Fllstück 30 mit dem Boden gekühlt.
-
Die Verformung der Kunststoffolie erfolgt in der folgenden Weise:
Die zu verformende Folie 39 wird zwischen dem Rand aus den die erste Kammer umgebenden
Wänden und dem entsprechenden die Ausnehmung 18 umgebenden Rand eingespannt. Anschließend
wird über die Bohrungen 17, 16, 15 mittels einer Vakuumpumpe auf die Folie 39 eine
Saugkraft ausgeübt, durch die diese sich in die Kammer hineinwölbt und schließlich
die Form der gestrichelten Linie 40 annimmt. Damit legt sich die nichtvorgewärmte
Folie 39 in der gezeigten Weise im oberen
Randbereich an den vorgewärmten
Seitenwänden 11, 12, 21 an, wird dort auf eine zum Verformen bzw. Recken geeignete
Temperatur erhitzt und dehnt sich infolge der auf die Folie angreifenden Saugwirkung
etwas aus. Dadurch gelangen die dem erwärmten Bereich benachbarten Bereiche der
Folie in Kontakt mit den Seitenwänden, so daß jetzt diese benachbarten Bereiche
auf die Verformungstemperatur erwärmt und gedehnt bzw. gereckt werden. Schließlich
gelangt die Folie auch mit der erwärmten Matritze 14 in Berührung und nimmt die
durch die gestrichelte Linie 41 gezeichnete Form an.
-
Dadurch werden auch die Bodenflächen erwärmt, und die Folie dehnt
sich in diesem Bereich. Da die Bohrungen 15 jeweils in den Ecken und Kanten der
entsprechenden Form, also den Stellen mit kleinstem Krümmungsradius angeordnet sind,
wird die Folie in die Ecken hineingezogen. Die Folie wird also fortschreitend von
der Wandung und vom Boden her in Richtung auf die Ecke bzw. Kante hin erwärmt und
dehnt sich aus.
-
Erst im letzten Moment gelangt die Folie mit diesen Kanten-und Eckenbereichen
der Matritze selbst in Kontakt und wird dann kurzzeitig erhitzt und nimmt die gewünschte
Form an.
-
Es ist ersichtlich, daß das Folienmaterial in diesen Ecken und Kanten
nur in geringem Maße gereckt wird, so daß die Wandstärke in den Ecken und Kanten
auf jeden Fall nicht kleiner als in den übrigen Wandbereichen ist.
-
Nach diesem ersten Arbeitstakt wird das Unterteil 6 des Tiefziehwerkzeugs
in Richtung des Pfeiles 41 nach unten abgesenkt. Es soll nebenbei nur erwähnt werden,
daß vor dem Absenken des Unterteils 6 selbstverständlich die Vakuumpumpe abgeschaltet
wird. Das Absenken des Unterteils 6 erfolgt in üblicher Weise soweit nach unten,
daß die tiefgezogene Form frei an die Stelle der zweiten Kammer 8 bewegt werden
kann.
-
Dann wird das Unterteil in Richtung des Pfeiles 41 wieder nach oben
bewegt und gegen das Oberwerkzeug gedrückt. Jetzt
wird über die
Bohrungen 32 und 33 und eine anschließende Vakuumpumpe eine Saugkraft auf die verformte
und erwärmte Folie in der Weise ausgeübt, daß diese sich an den kalten Wänden und
dem Boden der zweiten Kammer 8 anlegt. Dabei kühlt sich die Folie ab und bleibt
somit stabil. Gleichzeitig wiederholt sich in der ersten Form der oben beschriebene
Verformungsvorgang an einem nachfolgenden Folienstück.
-
Die mit den Bohrungen 33 und 17 verbundene Vakuumpumpe wird dann wieder
abgeschaltet, das Unterteil 6 wird abgesenkt, und die Folie wird in der in Figur
1 gezeigten Anordnung weiter nach links aus dem Tiefziehwerkzeug herausbewegt und
hat dann die angedeutete stabile Form 42.
-
Grundsätzlich kann die aus der Matritze und den Seitenwänden gebildete
Form in der ersten Kammer 7 und die aus den Seitenwänden und der Matritze gebildete
Form in der Kammer 8 die gleiche Größe, und zwar die endgültige Größe der gewünschten
tiefgezogenen Form aufweisen. Um aber zu vermeiden, daß die tiefgezogene Folienform
42 eventuell Falten wirft, wird die Größe der aus den erwärmten Wänden und der Matritze
gebildeten Form der ersten Kammer 7 etwas kleiner gewählt als die Größe der Form
in der zweiten Kammer 8. Vorzugsweise sind die Abmessungen der Form in der ersten
Kammer etwa 1 bis 5% kleiner als die Abmessungen der Form in der zweiten Kammer.
Dabei stimmen die Abmessungen der Form in der zweiten Kammer auf jeden Fall mit
den Abmessungen der endgültig gewünschten tiefgezogenen Form überein.
-
Grundsätzlich ist es möglich, die Folie in der ersten und/ oder zweiten
Kammer auch mit Druckluft in die Form hinein und damit in Kontakt mit den Wandungen
zu bringen. In diesem Fall wird über die #ffnungen 29 bzw. 34 Druckluft eingeblasen.
Das Hineinziehen der Folien kann gewünschtenfalls auch
dadurch
erfolgen, daß gleichzeitig über die Öffnungen 17, 33 eine Saugpumpe wirkt und über
die Öffnungen 29, 34 Druckluft zugeführt wird, die über die Ausnehmungen 18, 24
gleichmäßig auf die Folie einwirkt.
-
Bei einer abgewandelten Ausführungsform ist das Werkzeug so abgeändert,
daß die zweite Kammer 8 weggelassen ist. In diesem Fall wird das Verfahren so durchgeführt,
daß der in dieser Kammer durchgeführte Arbeitstakt entfällt und die Abkühlung außerhalb
des Werkzeuges, beispielsweise durch die Umgebungsluft, erfolgt. In diesem Fall
wird die Größe der Form der ersten Kammer gleich den Abmessungen der gewünschten
Form gewählt.
-
In Figur 3 ist ein Schnitt durch die nach dem obigen Verfahren tiefgezogene
Form 42 gezeigt. Es ist ersichtlich, daß die Ecken bzw. Kanten 43, 44, die bei den
nach den herkömrnlichen Verfahren tiefgezogenen Folien in der aus Figur 2 ersichtlichen
Weise am dünnsten sind, in dem gezeigten Ausführungsbeispiel sogar dicker sind als
die Seitenwände 45, 46 und der Boden 47 der tiefgezogenen Folienform. Damit die
Folie am Rand der tiefgezogenen Form nicht verletzt wird, sind die Ränder 48, 49
der den Innenraum der ersten Kammer 7 bildenden Seitenwände in der aus der Figur
1 ersichtlichen Weise abgerundet, damit nicht etwa Kanten die Folie beim Tiefziehvorgang
schwächen oder verletzen könnten.
-
In einer nichtgezeigten Ausführungsform ist das Tiefziehwerkzeug so
ausgebildet, daß die erste erwärmte Kammer und die zweite nichterwärmte Kammer nicht
wie in Figur 1 nebeneinander angeordnet sind, sondern daß die erste erwärmte Kammer
in einem entsprechend ausgebildeten Oberteil gegenüber der zweiten Kammer im Unterteil
angeordnet ist. In einem
ersten Arbeitstakt wird die nicht vorgewärmte
Folie dann in die erste Kammer durch Druckluft oder durch Ans auf gen in der gleichen
Weise wie beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel in die Form hineingezogen.
In einem zweiten Arbeitstakt wird die Folie dann durch eine entgegengesetzt wirkende
Saugkraft bzw. Druckkraft in die zweite nichterwärmte Kammer umgestülpt und erhält
dort in der oben beschriebenen Weise die endgültige Stabilität. Diese Abwandlung
bringt jedoch mehrere Probleme mit sich. Wenn es sich um Verbundfolien handelt,
dann wird beim Hochziehen in die erste obere Kammer die Polyäthylenschicht der Folie
erwärmt, die einen niedrigeren Schmelzpunkt als die Polyamidschicht hat. Es kann
dann leicht zu Verklebungen kommen.
-
Ferner muß die Folie bei diesem Verfahren während zweier Arbeitstakte
an derselben Stelle verweilen, kann also nur jeden zweiten Arbeitstakt weiterbewegt
werden. Bei der in Figur 1 gezeigten Anordnung und dem damit beschriebenen Verfahren
ist die Arbeitsgeschwindigkeit also doppelt so groß wie bei übereinander angeordneten
Kammern.
-
Schließlich ist es bei der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform sehr
einfach, das Tiefziehwerkzeug durch Auswechseln der Matritzen 14, 31 und eventuell
der Füllstücke 13, 30 an jede gewünschte Form und Größe mit wenigen Handgriffen
anzupassen, indem die vorhandenen Matritzen und Füllstücke einfach aus der Form
herausgenommen und neue eingesetzt werden. Sind die Kammern dagegen übereinander
angeordnet, dann muß in der oberen, nach unten geöffneten Kammer ein entsprechender
Einbaumechanistnus für das Einsetzen und Auswechseln der Füllstücke und Matritzen
vorgesehen werden.
-
Die bei dem Verfahren zu verwendenden Temperaturen der Seitenwände
und der Matritze in der ersten Kammer, die Stärke der Saugkraft bzw. die Stärke
der Druckkraft und die Verweildauer
in der ersten bzw. zweiten
Kammer sind abhängig von der Art des Folienmaterials und werden jeweils in Abhängigkeit
von dem verwendeten Material gewählt. Das in Figur 1 gezeigte Tiefziehwerkzeug ist
Teil einer Vakuumverpakkungsinaschine. Das Verfahren läßt sich aber auch bei anderen
Verpackungsmaschinen verwenden.
-
Für den Fall, daß es sich um eine sehr schwer zu verformende Folie,
etwa eine sehr dicke Folie handelt, kann die Folie auf eine geringe Temperatur,
die unterhalb der Verformungstemperatur liegt, vorgewärmt werden. Zu diesem Zweck
kann beispielsweise in der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung im Oberteil eine wärmeabstrahlende
Platte vorgesehen sein.
-
In den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem in der
Folie eine nach unten tiefgezogene Form gebildet werden soll. Mit dem gleichen Prinzip
ist es aber auch möglich, durch einfache Umkehrung der Anordnung nach oben tiefgezogene
Formen zu erzeugen.
-
Die in den Formen der ersten und zweiten Kammer vorgesehenen Bohrungen
15, 32 sind in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen jeweils in den Ecken
und Kanten angeordnet. Bei komplizierteren geometrischen Formen sind derartige Bohrungen
wie bei Tiefziehwerkzeugen üblich an all den Stellen der Form bzw. Matritze vorgesehen,
an denen sich die Folie beim Tiefziehen bzw. beim Hineindrücken zuletzt anlegt,
also bei allen Ausnehmungen und Ausbuchtungen und Höhlungen einer Form. Wird die
Folie durch Ansaugen verformt, so wird sie über diese Bohrungen in die Ecken und
Ausnehmungen hineingezogen. Erfolgt das Tiefziehen durch Einpressen von Luft durch
die Bohrungen 29, 34, so dienen diese Bohrungen 15, 32 dazu, daß die zwischen der
Matritze und der Folie befindliche Luft entweichen kann und sich somit keine Luftpolster
bilden können.
-
Bei der in Figur 4 gezeigten Ausführungsform ist das Unterteil 6 gegenüber
der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform unverändert belassen. Lediglich das Oberteil
50 ist insofern abgewandelt, als in der Ausnehmung 51 der ersten Kammer 7 eine Heizplatte
52 vorgesehen ist, die mit dem deckelförmig ausgebildeten Oberteil 50 beispielsweise
über Halteelemente 53 starr verbunden ist. Auf ihrer Unterseite ist die Heizplatte
mit einer Teflonschicht (Polytetrafluoräthylenschicht) 55 versehen, die ein Ankleben
der zu erwärmenden Folie 39 verhindert. Die Heizplatte ist so angeordnet, daß die
Teflonfläche zunächst einen Abstand von ca.
-
2 mm zu der zu erwärmenden Folie hat. In der Heizplatte sind Bohrungen
56, 57 vorgesehen, die zu einer Vakuumquelle führen. ueber diese Bohrungen wird
die Folie 39 zum Erwärmen an die Teflonfläche angesaugt. Das Erwärmen der Heizplatte
52 erfolgt über Heizelemente 54.
-
Mit dieser Vorrichtung wird das oben beschriebene Verfahren so durchgeführt,
daß die tiefzuziehende Folie 39 in einem ersten Schritt durch Ansaugen an die Heizplatte
52 vorgewärmt wird. Dabei soll die Folie eine Temperatur erreichen, die über Zimmertemperatur,
aber wesentlich unter der Verformungstemperatur liegt. Diese Temperatur kann je
nach Material zwischen ca. 300bis ca. 800C liegen. Die besten Ergebnisse wurden
beim Vorwärmen auf eine Temperatur zwischen 300 und 400C erreicht.
-
Die in Figur 4 gezeigte Vorrichtung kann auch dahingehend abgewandelt
werden, daß die Folie nicht an die Heizplatte angesaugt wird, sondern daß die Erwärmung
der Folie über Strahlungswärme erfolgt.