DE2725446A1

DE2725446A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von bechern aus thermoplastischem schaumkunststoff mit trinkrand

Info

Publication number: DE2725446A1
Application number: DE19772725446
Authority: DE
Inventors: Manfred Dicks; Gerhard Eder; Dieter Mantei; Volker Michel; Otto Plajer; Hans Vowinkel
Original assignee: Hoechst AG
Current assignee: Hoechst AG
Priority date: 1977-06-04
Filing date: 1977-06-04
Publication date: 1978-12-21

Description

Für die Herstellung von Bechern aus thermoplastischem Schaumkunst-
stoff kommen verfahrenstechnisch hauptsächlich das Extrusionsblasformen, daß 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.
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 Bedrüfnissen des Marktes nicht vollauf genügt. Das trifft insbesondere für automatengänyige 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.
Bei der Herstellung von Bechern aus thermoplastischem SchaurAunststoff 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.
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.
Es wurde daher nach anderen Verfahren gesucht, die es ermöglichen, einen durch Extrusionsblasformen hergestellten Vorformling in einer weiteren Stufe derart fertigzubearbeiten, daß ein Becher aus thermoplastischem Schaumstoff mit verdichtetem, d.h., steifem Trinkrand erhalten wird.
Dabei ist erwogen worden, einen extrusionsgeblasenen Vorformling, bestehend aus einem becherförmigen Teil und einem randständig angeformten faltbaren Balgfortsatz in einer Ultraschallschweißvorrichtung so zu stauchen, daß der Balgfortsatz zum Trinkrand profiliert, verdichtet und verschweißt wird. Es hat sich jedoch gezeigt, daß dieser Vorschlag an sich noch kein praktizierbares Verfahren liefert, da beim Stauchen und Schweißen infolge Fehlstellen und Gratbildung kein automatengängiger, trinkgerechter und versteifter Trinkrand erhalten wird.
Erst durch die Einhaltung bestimmter Bedingungen in Bezug auf die Gestaltung des Balgfortsatzes, die Anzahl der benötigten Falten, die von den Falten eingeschlossenen Winkel und den Grad der Verdichtung konnte ein automatengängiger Becher hergestellt werden.
Es wurde daher ein Verfahren zur Herstellung von automatengängigen Bechern aus thermoplastischem Schaumkunststoff mit angeformtem, durch Ultraschallschweißen profiliertem und verdichtetem Trinkrand gefunden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Vorfc#mling, bestehend aus einem becherförmigen Teil und einem an diesem randständig angeformten Balgfortsatz mit 5 bis 25, vorzugsweise 10 bis 20, Falten, mit von den Falten eingeschlossenen Winkeln von 20 bis 120, vorzugsweise 30 bis 90, Grad, sowie einer am oberen Balgrand angeformten Abdeckung mit einer mittigen Aussparung, deren Durchmesser höchstens 1/2 des größten Balgdurchmessers mißt, in eine Ultraschallschweißvorrichtung eingebracht und mittels einer axialbeweglichen Sonotrode der Balgfortsatz auf den Amboß mit einem Druck bis zu 10 bar gestaucht, und nach einer Beschallungszeit von 0,5 bis 10 Sekunden, durch einen weiteren, in der Endlage einstellbaren Vorschub der Sonotrode auf eine Dichte von 0,60 bis 1,05 g/cm3 verdichtet und dabei zum Trinkrand profiliert und verschweißt wird, und daß dabei die Abdeckung des Balgfortsatzes, am inneren Umfang des Trinkrandes entlang, abgetrennt wird.
Vorzugsweise hat der Balgfortsatz im Obergangsbereich von Falte zu Falte einen äußeren Abrundungsradius von mindestens 1/10 der Faltenhöhe und eine Wanddicke der Falten von 0,2 bis 0,7 mm.
Es ist ferner zweckmäßig, an der am oberen Balgrand angeformten Abdeckung eine umlaufende Sollbruchstelle vorzusehen, deren Durchmesser dem Innendurchmesser der Falten des Balgfortsatzes entsprechen soll.
Der Vorformling, bestehend aus Becherteil, Balgfortsatz und Abdeckung, kann nach bekannten Verfahren extrusiorisgeblasen werden.
Es ist vorteilhaft, zwei Vorformlinge in einem Doppelwcrkzeug mit einander zugekehrten Abdeckungen zu blasen, und den so hergestellten 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.
Beim Blasformen eines entsprechenden Zwillings ist zwischen den Werkzeugeinzelheiten für die beiden Abdeckungen ein Zwischenstück vorzusehen, das den entsprechenden Abschnitt des extrudierten Schlauches hohl aufnimmt, in dem dieser Schlauchabschnitt jedoch mindestens einseitig durch das schließende Werkzeug derart erfaßt und gequetscht wird, daß er der seitlich einstechenden Blasnadel nicht ausweichen kann; Die Aussparung in den Abdeckungen der Balgfortsätze entspricht somit etwa dem Innendurchmesser des extrudierten Schlauches und dient der Weiterleitung der Blasluft.
Bei der Einzelherstellung des Vorformlings entspricht die Aussparung in der Abdeckung dem Durchmesser des Blasdorns.
Die oben beschriebene Sollbruchstelle in der Abdeckung des Balgfortsatzes kann man dadurch formen, daß man im Blaswerkzeug eine scharfkantige Querschnittsabstufung oder einen entsprechenden Messereinsatz vorsieht.
Die Sonotrode (9) hat außer einer den oberen Trinkrand profilierenden Ringnut (10) vorzugsweise am inneren Umfang dieser Ringnut einen Führungsring (11), der in der Endlage, beim Formen des Trinkrandes unter diesen in den Becher eintaucht. Dadurch ist gewährleistet, daß die Abdeckung des Vorformlings abgetrennt wird und ein trinkgerechter Becherrand ohne innere Gratbildung geformt wird. Als verfahrenstechnisch vorteilhaft hat es sich ferner erwiesen, den Außendurchmesser der Ringnut der Sonotrode 0,5 bis 3,0 mm größer als den Außendurchmesser der Falten des Balgfortsatzes und den Innendurchmesser der Ringnut 0,5 bis 1,5 mm kleiner als den Innendurchmesser der Falten vorzusehen. Durch dieses Über- bzw. Untermaß wird die Herstellung eines gratfreien Trinkrandes sichergestellt. Zur sicheren Führung des Balgfortsatzes beim Stauchen kann der Amboß (12), der eine plane kreisförmige Auflagefläche (13) für den unteren Trinkrand aufweisen muß, außen einen axialbeweglich geführten und mit einer Rückholvorrichtung (15a, 15b) versehenen Stützring (14) aufweisen, der durch den Vorschub der Sonotrode unter die Auflagefläche für den unteren Trinkrand zurückgeschoben wird.
In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäß mit Trinkrand zu versehender Vorformling, hergestellt durch Trennen eines Zwillings, halb im Schnitt, dargestellt. Es bedeuten: T becherförmiges Teil, 2 am Becherteil angeformter, randständiger Balgfortsatz, 3 am Balgteil angeformte Abdeckung, 4 Sollbruchstelle in der Abdeckung, 5 äußere Abrundung im Übergangsbereich von Falte zu Falte, 6 Faltenhöhe, 7 mittige Aussparung in der Abdeckung, 8 abgetrenntes Zwischenstück des Zwiilings,&von zwei Falten eingeschlossener Winkel.
Fig. 2 zeigt beispielhaft, halb geschnitten, die erfindungsgemäßen Einzelheiten von Sonotrode und Amboß im geöffneten Zustand vor Einlegen des Vorformlings, Fig. 2a entsprechend im geschlossenen Endzustand (ohne erfindungsgemäß hergestellten Becher).
Es bedeuten: 9 Sonotrode, 10 Ringnut für die Profilierung des oberen Trinkrandbereiches, 10a äußere Abrundung der Ringnut, 10b innere Abrundung der Ringnut, 11 am inneren Umfang der Ringnut angeordneter Führungsring, 12 Amboß, 13 plane kreisringförmige Auflagefläche für den unteren Trinkrandbereich, 14 Stützring, 15a Rückholvorrichtung (Spiralfeder) im entspannten Zustand, 15b Rückholvorrichtung im gespannten Zustand.
In Fig. 3 ist ein erfindungsgemäß hergestellter Becher, halb im Schnitt dargestellt. Es bedeuten: 16 Becher, 17 Trinkrand, 18 unterer, planer Bereich des Trinkrandes, 19 äußere Abrundung des oberen profilierten Trinkrandbereiches, 20 innere Abrundung des oberen profilierten Trinkrandbereiches.
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 oder Styrol und Acrylnitril,oder Mischungen dieser Polymerisate.
Als Treibmittel 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, Dichlortetrafloräthan, Trichlortrifluoräthan, Octafluorcyclobutan oder Mischungen dieser Treibmittel.
Die Menge des Treibmittels richtet sich nach dem Polymerisat und der Art des Treibmittels. Bei chemischen Treibmittel 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 p # das Polymerisat, bewährt.
Die Treibmittel können im Ausgangsgranulat enthalten sein, dem Polymer vor der Verarbeitung zugemischt werden, oder der treibmittelfreien Schmelze im Extruder zudosiert werden.
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. Außerdem können dem Stoff übliche Additive, z.B. Füllstoffe, Pigmente, Farbstoffe, Stabilisatoren, Antistatika, Flammschutzmittel oder Gleitmittel zugesetzt werden. Falls erforderlich, werden die verschiedenen Additive unter Zusatz von Haftvermittlern, z.B. Butylstearat oder Mineralöl,eingemischt.
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 Blasformen und anschließendes Teilen von Zwillingen hergestellt. Die Dichte des Schaumkunststoffes im Faltenbereich betrug 0,33 g/cm3, die Wanddicke der Falten lag zwischen 0,2 und 0,4 mm. Der Außendurchmesser der Falten des Balgfortsatzes betrug 69,5 mm und der Innendurchmesser 65,0 mm. Für die eingeschlossenen Winkel waren 90 Grad vorgesehen und für den Abrundungsradius im Übergangsbereich von Falte zu Falte 0,5 mm. Der Balgfortsatz hatte eine Höhe von 34 mm und wies 13 Falten auf. Am Rande der Abdeckung war eine umlaufende Sollbruchstelle, deren Durchmesser dem Innendurchmesser der Falten des Balgfortsatzes entsprach. Für das Anformen des automatengängigen Trinkrandes wurde eine Ultraächallschweißanlage mit piezostriktivem Wandler eingesetzt. Das Gerät verfügte über eine Nennleistung von 1300 Watt und arbeitete mit einer Frequenz von 20 KHz. Die an der Sonofrodenspitze vorliegende Amplitude lag bei ca. 45 pm. Die wichtigsten Konturen von Sonotrode und Amboß sind in Fig. 2 dargestellt. Der Außendurchmesser der Ringnut betrug 71 mm, der Innendurchmesser der Ringnut 64,5 mm und die Höhe der Ringnut 1,5 mm. Die Ringnut war außen (vgl. Fig. 2, Ziffer 10a) mit einem Radius von 1,0 mm und innen (vgl. Fig. 2, Ziffer 10b) mit einem Radius von 0,1 mm abgerundet.
Der am inneren Umfang der Ringnut angeformte Führungsring (11) wies außen die gleiche Konizität wie der Becher auf. Die Ringhöhe war so dimensioniert, daß der Ring in der Endlage bis 3,0 mm unter den Trinkrand des Bechers eintauchte. Der Antboß hatte eine 5,0 mm breite, plane und kreisringförmige Auflagefläche für den unteren Trinkrand, und war ansonsten der Außenkontur des Bechers angepaßt.
Zunächst wurde der Vorformling in die Ausnehmung des Amboß eingelegt und darin zentriert. Die anschließend nach unten fahrende Sonotrode hat den Faltenbalg bei einem Anpreßdruck von 5 bar (Skalenwert) gestaucht und bereits vorverdichtet. Nach Erreichen dieses Stauchdruckes wurde 2 sek. lang beschallt. Bei dem hierbei einsetzenden Plastifiziervorgang hat sich die Sonotrode dem Amboß weiter angenähert. Nach Erreichen der Endlage wurde bei einer Haltezeit von 1 sek. der Trinkrand auf Entformungstemperatur gekühlt.
Es wurde eine Serie von 50 Bechern hergestellt. Die Becher hatten einen glatten Trinkrand von 1,5 mm Höhe, 70,5 mm Außendurchmesser und 65,0 mm Innendurchmesser. Die Dichte des Trinkrandes betrug 0,9 g/cm3. Die Becher ließen sich in einem Heißgetränkeautomat einwandfrei entstapeln.

Claims

Aktenzeichen : HOE 77/F 752 Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Bechern aus thermoplastischem Schaumkunststoff mit Trinkrand Patentansprüche: 1. Verfahren zur Herstellung von automatenaängigen Bechern aus thermoplastischem Schaumkunststoff mit angeformtem, durch Ultraschallschweißen profiliertem und verdichtetem Trinkrand, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorformling, bestehend aus einem becherförmigen Teil und einem an diesem randständig angeformten Balgfortsatz mit 5 bis 25 Falten, die von den Falten eingeschlossene Winkel von 20 bis 120 Grad aufweisen, sowie einer am oberen Balgrand angeformten Abdeckung mit einer mittigen Aussparung, deren Durchmesser höchstens 1/2 des größten Balgdurchmessers mißt, In eine Ultraschallschweißvorrichtung eingebracht und mittels einer axialbeweglichen Sonotrode der Balgfortsatz auf den Amboß mit einem Druck bis 10 bar gestaucht, und nach einer Beschallungszeit von 0,5 bis 10 Sekunden durch einen weiteren, in der Endlage einstellbaren Vorschub der Sonotrode auf eine Dichte zwischen 0,60 und 1,05 g/cm3 verdichtet und dabei zum Trinkrand profiliert und verschweißt wird, und daß dabei die Abdeckung des Balgfortsatzes, am inneren Umfang des Trinkrandes entlang, abgetrennt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Balgfortsatz 10 bis 20 Falten aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Falten eingeschlossenen Winkel 30 bis 90 Grad betragen.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanddicke der Falten des Balgfortsatzes 0,2 bis 0,7 mm mißt.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die am oberen Balgrand angeformte Abdeckung eine umlaufende Sollbruchstelle aufweist, deren Durchmesser dem Innendurchmesser der Falten des Balgfortsatzes entspricht.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der aus Becherteil, Balgfortsatz und Abdeckung bestehende Vorformling durch Extrusionsblasformen eines entsprechenden Zwillings und anschließendes Trennen des Zwillings in zwei Vorformlinge hergestellt wird.
7. Ultraschallschweißvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode eine den Trinkrand profilierende Ringnut und der Amboß eine plane kreisringförmige Auflagefläche für den unteren Trinkrand aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringnut der Sonotrode einen Außendurchmesser hat, der 0,5 bis 3,0 mm größer als der Außendurchmesser der Falten des Balgfortsatzes ist, und einen Innendurchmesser, der 0,5 bis 1,5 mm kleiner als der Innendurchmesser der Falten ist, und daß am inneren Umfang der Ringnut ein Führungsring für den inneren Trinkrand vorgesehen ist, der in der Endlage beim Formen des Trinkrandes unter diesen in den Becher eintaucht, und dabei die Abdeckung des Balgfortsatzes abtrennt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Amboß außen einen axialbeweolich geführten und mit einer Rückholvorrichtung versehenen Stützring für den Balgfortsatz aufweist, der durch den Vorschub der Sonotrode unter die platzte Auflagefläche des Amboß für den unteren Trinkrand zurückgeschoben wird.
10. Automatengängiger Becher aus thermoplastischem Schaumkunststoff mit angeformtem, durch Ultraschallschweißen profiliertem und verdichtetem Trinkrand, dadurch gekennzeichnet, daß er nach einem der Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 6 hergestellt wurde.