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Für die Herstellung von Bechern aus thermoplastischem Schaum-
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kunststoff kommen verfahrenstechnisch hauptsächlich das Extrusionsblasformen,
das Tiefziehen und das Umformen und Fügen von Zuschnitten in Betracht. Beim zuletzt
aufgeführten Verfahren muß die Dichtigkeit durch Kleben oder Schweißen gewährleistet
werden. Schon aus diesem Grund werden das Blasformen und das Tiefziehen als sicherer
und wirtschaftlicher arbeitende Verfahren bevorzugt.
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Beim Tiefziehen von thermoplastischen Schaumfolien einer Dichte von
50 bis 200 g/l zu Bechern hat sich gezeigt, daß im Hinblick auf das Tiefziehverhältnis,
d.h., das Verhältnis von Höhe zu Durchmesser des Bechers, eine verfahrenstechnisch
bedingte Grenze gesetzt ist, die gegenwärtig nur Tiefziehverhältnisse bis höchstens
1:1 zuläßt. Die durch Tiefziehen hergestellten Becher haben demnach eine gedrungene
Kontur, die den Bedürfnissen des Marktes nicht vollauf genügt. Das trifft insbesondere
für automatengängige Becher mit vorgegebenen Abmessungen für Durchmesser und Höhe
zu. Unter Automatengängigkeit wird hier das zuverlässige Entstapeln des Bechers
vor dem Zuführen in die Füllstation des Getränkeautomaten verstanden.
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Bei der Herstellung von Bechern aus thermoplastischem Schaumkunststoff
durch Extrusionsblasformen treten die vorausgehend beschriebenen Nachteile nicht
auf. Es hat sich jedoch gezeigt, daß es nicht ohne weiteres möglich ist, den Trinkrand
dabei so zu formen, daß er hinreichend steif, trinkgerecht gestaltet und automatengängig
ist.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, den Trinkrand entsprechender
Becher durch einen Stauchvorgang nach dem Blasformen im Blaswerkzeug und anschließendes
Stanzen zu formen und zu besäumen. Ein derartiges Werkzeug ist jedoch konstruktiv
sehr aufwendig und das Verfahren arbeitet störanfällig.
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Es wurde ferner vorgeschlagen, den Trinkrand aus einem Balgfortsatz
am becherförmigen Vorformling durch Stauchen und Verschweißen mittels Ultraschall
zu formen.
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Es wurde nun gefunden, daß man zu kürzeren Zykluszeiten kommen kann,
wenn man einen becherförmigen Vorformling aus Schaumkunststoff mit auskragendem
Rand und einen vorgeformten Profilring aus einem mit dem Schaumkunststoff verschweißbaren
thermoplastischen Kunststoff durch Ultraschall zum Trinkrand profiliert und verschweißt.
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Gefunden wurde ein Verfahren zur Herstellung von automãtengängigen
Bechern aus thermoplastischem Schaumkunststoff mit durch Ultraschallschweißen angeformtem,
profiliertem Trinkrand, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein becherförmiger Vorformling
aus Schaumkunststoff mit auskragendem Rand und ein vorgeformter Profilring aus einem
mit dem Schaumkunststoff verschweißbaren thermoplastischen Kunststoff in eine Ultraschallschweißvorrichtung
eingebracht und mittels einer axialbeweglichen Sonotrode mit einem Druck bis 10
bar auf den Amboß gestaucht, und nach einer Beschallungszeit von 0,2 bis 4 Sekunden
durch einen weiteren, in der Endlage einstellbaren Vorschub der Sonotrode, unter
Verdichten des auskragenden Becherrandes auf eine Dichte von 0,60 bis 1,05 g/cm3,
zum Trinkrand profiliert und verschweißt werden.
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Es hat sich gezeigt, daß drei Ausführungen von becherförmigem Vorformling
und Profilring bezüglich der Automatengängigkeit und der trinkgerechten Profilierung
des Becherrandes besonders vorteilhaft sind.
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Die erste dieser drei Ausführungen zeichnet sich dadurch aus, daß
der plane auskragende Rand des becherförmigen Vorformlings den darunter angeordneten
Profilring außen um mindestens die halbe Ringhöhe seitlich überragt. Beim Stauchen,#
Profilieren und Verschweißen wird die Auskragung über die Ringoberseite gebördelt
und geschweißt. Hierdurch werden die Automatengängigkeit und ein gratfreier Trinkrand
gewährleistet.
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Die zweite Möglichkeit zur Herstellung entsprechender Becher besteht
darin, den planen auskragenden Rand des becherförmigen Vorformlings kleiner als
den Außendurchmesser des Profilringes vorzusehen, und darauf einen Profilring zu
setzen, dessen Unterseite innen eine entsprechende
Ausnehmung aufweist,
die beim Verschweißen durch die verdichtete Auskragung ausgefüllt wird. Beim Verschweißen
ist dafür Sorge zu tragen, daß Becher und Ring versatzfrei gefügt werden.
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Schließlich besteht auch die Möglichkeit, den planen auskragenden
Rand des becherförmigen Vorformlings kleiner als den Außendurchmesser des Profilringes
vorzusehen, und den darunter angeordneten Profilring an der Oberseite innen mit
einer Ausnehmung auszustatten, die beim Verschweißen durch die verdichtete Auskragung
ausgefüllt wird. Hierbei ist durch hinreichende Plastifizierung des oberen Trinkrandes
und hinreichenden Stauchdruck für einen Trinkrand ohne Grat- und Schrundbildung
zu sorgen.
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Es ist vorteilhaft, den becherförmiger Vorformling samt Auskragung
durch Extrusionsblasformen eines entsprechenden Zwillings mit einanderzugekehrten
Auskragungen in an sich bekannter Weise zu blasen, und den Zwilling anschließend
entweder im Blaswerkzeug oder in einem weiteren Arbeitsgang nach bekannten Verfahren
durch Schneiden oder Stanzen in zwei Vorformlinge zu trennen. Durch das Blasformen
eines Zwillings wird die Kapazität der Extrusionsblasmaschine verdoppelt und damit
eine bessere Wirtschaftlichkeit erzielt. Es kommt hinzu, daß bei einem entsprechenden
Zwilling relativ weniger Abfall entsteht als bei der Einzelherstellung des Vorformlings.
Wesentlich ist ferner, daß bei der Einzelherstellung, durch das Zusammenquetschen
des Schlauches bedingt, die Wanddickenverteilung im Bereich der Auskragung, über
den Umfang betrachtet, weniger einheitlich ist.
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Für die Herstellung des Profilringes kommen grundsätzlich das Stanzen
aus tafelförmigem Halbzeug, das Abstechen von Rohrschüssen und das Spritzgießen
in Betracht. Dabei ist dem Spritzgießen, für die Produktion großer Serien mit Hilfe
von Mehrfachwerkzeugen bekannter Bauart, der Vorzug zu geben. Neben den wirtschaftlichen
Gesichtspunkten spricht für das Spritzgießen auch die Tatsache, daß für alle drei
oben beschriebenen Verfahrensvarianten der entsprechend gestaltete Profilring direkt
hergestellt werden kann.
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Die Sonotrode (11) hat außer einer den oberen Trinkrand profilierenden
Ringnut (13) vorzugsweise am inneren Umfang dieser Ringnut einen Führungsring (14),
der in der Endlage, beim Formen des Trinkrandes zumindest um die Höhe des Profilringes,
in den Becher eintaucht. Im Interesse des versatzfreien Fügens von Becher und Ring
kann man eine größere Eintauchtiefe vorsehen. Sofern die Auskragung des becherförmigen
Vorformlings größer als der Außendurchmesser des Profilringes ist, muß der Außendurchmesser
der Ringnut der Sonotrode kleiner als der Außendurchmesser der Auskragung, jedoch
größer als der oder zumindest gleich dem Außendurchmesser des Profilringes sein.
Dadurch ist gewährleistet, daß die Auskragung beim Stauchen um den Profilring gebördelt,
dabei verdichtet und dann mit dem Ring verschweißt wird.
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In den Figuren 1 a und 1 b sind ein becherförmiger Vorformling und
ein Profilring der zuerst beschriebenen Ausführung halb geschnitten dargestellt.
Darin und in den Figuren 2 bis 4 bedeuten: 1 Becherförmiger Vorformling, 2 plane
Auskragung des Becherrandes, 3 Profilring.
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Fig. 2 zeigt die Anordnung von Auskragung und Profilring der oben
zuerst beschriebenen Ausführungsform vor dem Stauchen und Verschweißen. Es bedeuten:
2 Plane Auskragung des Becherrandes, 3 Profilring, 4 Ringhöhe, 5 seitlicher Überstand
der Auskragung, etwa der halben Ringhöhe entsprechend.
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Fig. 3 zeigt die Anordnung von Auskragung und Profilring für die zweite
oben beschriebene Ausführungsmöglichkeit vor dem Stauchen und Verschweißen. Es bedeuten:
2 Plane Auskragung des Becherrandes, 3 Profilring, 6 Wanddicke der Auskragung, 7
Breite der der planen Auskragung des Becherrandes entsprechenden Ausnehmung an der
Unterseite des Profilringes,
8 obere Außenkante des Profilringes,
9 obere Innenkante des Profilringes.
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Fig. 4 zeigt die Anordnung von Auskragung und Profilring für die dritte
oben beschriebene Ausführungsmöglichkeit vor dem Stauchen und Verschweißen. Es bedeuten:
2 Plane Auskragung des Becherrandes, 3 Profilring, 10 Radius der Abrundung der oberen
Außenkante (8) des Profilringes.
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In Fig. 5 sind beispielhaft, halb geschnitten, die erfindungsgemäßen
Einzelheiten von Sonotrode und Amboß dargestellt. Es bedeuten: 11 Sonotrode, 12
Amboß, 13 Ringnut der Sonotrode für die Profilierung des oberen Trinkrandbereiches,
14 am inneren Umfang der Ringnut angeordneter Führungsring, 15 äußere Abrundung
der Ringnut, 16 innere Abrundung der Ringnut, 17 plane Auflagefläche für den unteren
Trinkrandbereich.
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Fig. 6 zeigt einen erfindungsgemäß hergestellten Becher, halb geschnitten.
Es bedeuten: 18 Becher, 19 Trinkrand, 20 unterer, planer Bereich des Trinkrandes,
21 äußere Abrundung des oberen, profilierten Trankrandbereiches, 22 innere Abrundung
des oberen, profilierten Trinkrandbereiches.
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Als Kunststoffe für die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herzustellenden
Becher eignen sich praktisch alle thermoplastischen Kunststoffe. Bevorzugt verwendet
werden Polystyrol, Mischpolymerisate des Styrols mit bis zu 30 Gewichtsprozenten,
vorzugsweise bis zu 20 Gewichtsprozenten, an Comonomeren, z. B. Methylstyrol und/oder
Acrylnitril, und kautschukmodifizierte schlagfeste Polystyrole, z.B. auf Polybutadien,
Butadien-Styrol-Kautschuken oder Xthylen-Propylen-Dien-Kautschuken gepfropfte Polymerisate
von
Styrol und Acrylnitril, oder Mischungen dieser Polymerisate.
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Als Treibmittel zur Herstellung des becherförmigen Vorformlings können
sowohl chemische Treibmittel, wie vorzugsweise Azodicarbonamid, als auch physikalische
Treibmittel, z.B. Kohlenwasserstoffe, wie Pentan oder Propan, halogenierte Kohlenwasserstoffe
oder Gase wie Stickstoff oder Kohlendioxid verwendet werden. Bevorzugt werden halogenierte
Kohlenwasserstoffe, z.B. Methylenchlorid, Dichlordifluormethan, Trifluormethan,
Dichlortetrafluoräthan, Trichlortrifluoräthan, Octafluorcyclobutan oder Mischungen
dieser Treibmittel.
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Die Menge des Treibmittels richtet sich nach dem Polymerisat und der
Art des Treibmittels. Bei chemischen Treibmitteln werden in der Regel 0,1 bis 3
Gew.-%, vorzugsweise 0,3 bis 1,5 Gew.-%, bezogen auf das Polymerisat, verwendet.
Bei physikalischen Treibmitteln hat sich ein Zusatz von 1 bis 20, vorzugsweise 2
bis 10, Gewichtsprozenten, bezogen auf das Polymerisat, bewährt.
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Die Treibmittel können im Ausgangsgranulat enthalten sein, dem Polymer
vor der Verarbeitung zugemischt werden, oder der treibmittelfreien Schmelze im Extruder
zudosiert werden.
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Um einen gleichmäßigen, feinzelligen Schaum zu erhalten, werden vorzugsweise
Porenregler, z.B. ein stöchiometrisches Gemisch von Zitronensäure und Natriumbicarbonat,
in Mengen von jeweils 0,01 bis 5, vorzugsweise 0,1 bis 1, Gewichtsprozenten, bezogen
auf das Polymerisat, zugesetzt.
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Außerdem können dem Stoff übliche Additive, z.B. Füllstoffe, Pigmente,
Farbstoffe, Stabilisatoren, Antistatika, Flammschutzmittel oder Gleitmittel zugesetzt
werden.
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Falls erforderlich, werden die verschiedenen Additive unter Zusatz
von Haftvermittlern, z.B. Butylstearat oder Mineralöl eingemischt.
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Zur Herstellung des Profilringes dient der gleiche thermoplastische
Kunststoff (ohne Zusatz von Treibmittel) wie der für den becherförmigen Vorformling
oder ein anderer thermoplastischer Kunststoff,
der mit dem Schaumkunststoff
des becherförmigen Vorformlings verschweißbar ist.
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Beispiel: Durch Extrusionsblasformen von Polystyrol (Schmelzindex:
3 g/10 min, Dichte: 1,05 g/cm3) mit Zusatz von 6 % Dichlordifluormethan als Treibmittel
und 0,5 % eines stöchiometrischen Gemisches aus Natriumbicarbonat und Zitronensäure
als Zellbildner wurden Vorformlinge gemäß Fig. 1 durch Extrusionsblasformen und
anschließenäes Trennen von entsprechenden Zwillingen hergestellt. Der Innendurchmesser
der Auskragung betrug, im Grund der Abstufung gemessen, 64,0 mm, der Außendurchmesser
maß 73,0 mm. Die Dichte des Schaumkunststoffs betrug im Auskragungsbereich 0,33
g/cm3, die Wanddicke der Auskragung maß 0,3. min.
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Aus einem Rohrstück des gleichen, jedoch ohne Treibmittel und Zellbildner
extrudierten Kunststoffes wurden Profilringe gemäß Fig. 1 b spanend abgestochen.
Der Außendurchmesser der Ringe betrug 70,5 mm, der Innendurchmesser 65,0 mm und
die Ringhöhe 2,0 nin. Die obere A'j£Q## kante des Ringes (8) war mit einem Radius
von 1,0 mm und die obere Innenkante (9) mit einem Radius von 0,1 mm abgerundet.
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Für das Anformen des automatengängigen Trinkrandes wurde eine Ultraschallschweißvorrichtung
mit piezostriktivem Wandler eingesetzt. Das Gerät verfügte über eine Nennleistung
von 1300 Watt und arbeitete mit einer Frequenz von 20 KHz. Die an der Sonotrode
vorliegende Amplitude lag bei ca. 45 pm. Die wichtigsten Konturen von Sonotrode
und Amboß sind in Fig. 5 dargestellt. Der Innendurchmesser der Ringnut maß 64,5
mm, der Außendurchmesser betrug 71,0 mm und die Nuthöhe 2,0 mm. Die Ringnut war
außen (15) mit einem Radius von 1,0 mm und innen (16) mit einem Radius von 0,1 mm
abgerundet.
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Der am inneren Umfang der Ringnut angeformte Führungsring (14) wies
außen die. gleiche Konizität wie der Becher auf. Seine Höhe war so dimensioniert,
daß er in der Endlage 3,0 mm unter den Trinkrand in den Becher eintauchte. Der Amboß
hatte eine 5,0 mm breite, plane und kreisringförmige Auflagefläche tal7) für den
unteren Trimkrana und war ansonsten der Aussenkontur des Bechers angepaßt.
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Zunächst wurde der becherförmige Vorformling, wie in Fig. 2 dargestellt,
in den Profilring gesetzt, und dann mit dem Ring in die Ausnehmung des Ambosses
zentriert eingebracht. Die anschließend
nach unten fahrende Sonotrode
stauchte zunächst Auskragung und Ring mit einem Anpreßdruck von 5 bar. Nach Erreichen
dieses Stauchdruckes wurde 0,4 Sekunden lang beschallt. Bei dem hierbei einsetzenden
Plastifizieren hat sich die Sonotrode dem Amboß weiter genähert. Nach Erreichen
der Endlage wurde bei einer Haltezeit von 1 Sekunde der Trinkrand auf Entformungstemperatur
gekühlt.
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Es wurde eine Serie von 50 Bechern hergestellt. Die Becher hatten
einen glatten Trinkrand von 2,0 mm Höhe und 65,5 mm Innendurchmesser. Die Becher
ließen sich in einem Heißgetränkeautomat einwandfrei entstapeln.