DE2830740A1

DE2830740A1 - Verfahren zum herstellen duennwandiger artikel aus kristallinem thermoplastischem material

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Publication number: DE2830740A1
Application number: DE19782830740
Authority: DE
Inventors: Barbara Ing Grad Geppert; Alfons W Thiel
Original assignee: Bellaplast GmbH
Current assignee: Bellaplast Maschinenbau GmbH
Priority date: 1977-07-25
Filing date: 1978-07-13
Publication date: 1979-02-15
Also published as: DE2830740C2; FR2398592B1; ATA508778A; DE2830788A1; BE869217A; FR2398593A1; JPS5440870A; FR2398592A1; IT1097331B; FR2398593B1; ZA784183B; ES471997A1; AT370672B; IT1097332B; GB2001577B; GB2001576A; AT370671B; NL7807832A; GB2001576B; GB2001577A

Description

PATENTANWALT DIPL.-PHYS. HEINRICH SEIDb

62 Wiesbaden · Bierstadter Höhe 15 ■ Postfach 12068 · Telefon (06121) fi£ 53

to

Postscheck Frankfurt/Main 1810 08 -602 · Bank Deutsche Bank 395 63 72 · Nass. Sparkasse

Wiesbaden, den 07. Juli 1978 X 194 S/m

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Bellaplast GmbH
Karl-Bosch-Straße 10
D-6200 Wiesbaden

Verfahren zum Herstellen dünnwandiger Artikel aus kristallinem thermoplastischem Material

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum Herstellen dünnwandiger Artikel aus kristallinem thermoplastischem Material durch Thermoformen in einer Bahn oder Platte aus solchem thermoplastischem Material unter Dickenredursierung und Ausschneiden der Artikel aus der Bahn bzw. Platte, wobei das thermoplastische Material einen kritischen Kristallit-Schmelztemperatur-Bereich aufweist und \

das Verfahren weiterhin eine Temperaturkonditionierung ; der Bahn bzw. Platte auf zum Thermoformen geeignete Temperaturbedingungen enthält.

Zum Herstellen dünnwandiger Artikel durch Thermoformen von Bahnen oder Platten aus kristallinem thermoplastischem ; Material ist es durch US-PS 3 709 976 bekannt, eine kalte j Materialbahn auf eine Temperatur von 0,6 bis 30°C unter-

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halb des Kristallit-Schmelztemperatur-Bereiches, vorzugsweise 6 bis 17 C unterhalb dieses Bereiches zu erhitzen. Dies würde beispielsweise für"Polypropylen eine Temperatur von etwa 150 bis 165°C bedeuten. In einem ganz ähnlichen Verfahren, wie es durch FR-PS 2 116 487 bekannt ist, wird vorgesehen, dünnwandige Artikel durch Thermoformen von Polyolefin-Bahnen herzustellen. Wach diesem bekannten Verfahren ist die Materialbahn auf eine Temperatur etwa 2 bis 10°C unterhalb der Kristall!t-Schmelz-Temperatur des jeweiligen Materials zu erhitzen. Diese beiden bekannten Verfahren haben jedoch erhebliche Nachteile und grundsätzliche Mängel, die sich daraus ergeben, daß die Materialbahn bzw. die Platten aus kristallinem, thermoplastischem Material von außen aufgeheizt werden müssen und dadurch die Oberflächenregionen der Materialbahnen oder Platten sehr viel höher als der innere Kernbereich erhitzt werden. Deshalb hat eine Materialbahn oder Platte beim Eintreten in den Thermo-'formungsschritt einen sehr hohen Temperaturgradienten über die Bahndicke bzw. Plattendicke und erhebliche Temperaturdifferenzen über die Bahndicke bzw. Plattendicke. Dementsprechend sind auch die Thermoformungs-Bedingungen über die Bahndicke bzw. Plattendicke stark verschieden, und es ist nicht möglich, eine echte, reproduzierbare Steuerung der Qualitätsbedingungen der

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nach diesem bekannten Verfahren hergestellten Artikel zu erzielen. Wenn man bei diesen bekannten Verfahren solche Qualitätsmängel überwinden wollte wäre es notwendig, die Temperaturbedingungen über die Bahndicke bzw. Plattendicke auszugleichen, was aber wiederum erheblich verlängerte Heizzeiten und dami^ökonomische Nachteile für die Verfahren verursachen würde.

In einem ähnlichen, aus US-PS 3 157 719 bekannten Verfahren wird Polypropylen als Materialbahn extrudiert und in einzelne Platten gewünschter Länge aufgeteilt.

Diese Platten werden auf Raumtemperatur abgekühlt. Wenn diese Platten durch Thermoformen weiterverarbeitet werden sollen, werden sie Stück für Stück zunächst einer Wärme-Vorbehandlung in einem Ofen bei einer Temperatur von etwa 130 bis 14O°C über eine Zeit von 2 bis 3 Minuten unterworfen. Danach werden die zu thermoformenden Platten einzeln direkt über ein Thermoformwerkzeug transportiert und einer zweiten Heizungsbehandlung unterworfen um das Material auf eine Temperatur bei oder höher als die Kristallit-Schmelztemperatur aufzuheizen, so daß die Platte durch Verlust der selbsttragenden Eigenschaften des Materials auf die Werkzeugoberfläche absackt und dort durch Anlegen von Vakuum angesaugt werden. Ein solches bekanntes Verfahren ist naturgemäß nicht für hohe Durch-

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satz-Erfordernisse geeignet. Ferner ist es ein erheblicher Mangel dieses bekannten Verfahrens, daß die Temperaturbedingtingen für das Thermoformen nicht echt und reproduzierbar gesteuert werden können. Ferner ist es nicht möglich, das Kristallwachsturn im Material während des Thermoformungs-Schrittes zu steuern.

Es ist daher die wesentliche, durch die Erfindung zu lösende technische Aufgabe, eine verbesserte Steuerung in der Temperaturkonditionierung an einem Thermoform-Vorgang zu unterwerfenden Platten oder Bahnen aus kristallinem thermoplastischem Material zu schaffen in der Weise, daß ein Temperaturprofil über die Dicke der Materialbahn oder Platte gebildet oder vorbereitet werden kann, bevor die Materialbahn oder Platte in den Thermoformungsschritt eintritt, wobei dieses Temperaturprofil jedem gegebenen Fall im Hinblick auf optimale Thermoformungsbedingungen und optimale Kühlbedingungen des Materials anzupassen ist um Artikel hoher Qualität zu schaffen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Temperaturkonditionieren zumindest zwei Stufen einschließt:

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a) Entwickeln durch Heizen und bzw. oder Kühlen eines vorläufigen Temperaturprofils über die Dicke der BaIm bzw. Platte, bei dem das Material im Kernbereich der Bahn bzw. Platte auf einer Temperatur ist, die dicht bei, aber unterhalb des kritischen Kristallit-Schmelztemperatur-Bereiches liegt, und das Material in den Oberflächenregionen der Bahn bzw. Platte niedrigere Temperatur als das Material des Kernbereich.es hat, ggf. eine solche Temperatur, bei der das kristalline thermoplastische Material der Oberflächenregionen verfestigt und daher nicht mehr leicht dehnbar ist, und

b) Entwickeln des endjiltigen Temperaturprofils für den Thermofοrmungsschritt durch Aufwärmen der Oberflächenregionen der Bahn bzw. Platte auf Temperaturbedingungen, bei denen das kristalline thermoplastische Material der Oberflächenregionen zumindest elastisch verformbar wird, während das Material des Kernbereiches in einem elastisch verformbaren Zustand auf einer Temperatur dicht bei, aber unterhalb des kritischen Kristallit-Schmelztemperatur-Bereiches gehalten wird.

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Durch solches neuartiges Temperaturkonditionieren in der Materialbahn oder Platte vor Eintreten in den Thermoformungsschritt werden die Temperaturen im Kernmaterial und die Temperaturen an den Oberflächenregionen der Materialbahn bzw. der Platte innerhalb sehr enger Bereiche und dicht an der jareils gewünschten Temperatur gehalten. Hierdurch können sowohl die gewünschten Thermoformungsbedingungen als auch die gewünschten Kühlbedingungen während des gesamten Verfahrens echt und reproduzierbar gesteuert werden. Damit ist auch das Kristallwachstum im Material während des gesamten Verfahrens gut steuerbar. Solches Steuern kann im wesentlichen in der Unterdrückung des Kristallwachstums oder auch im gesteuerten Zulassen von Kristallwachstum in einem zugelassenen gewünschten Ausmaß einschließen. Gemäß der Erfindung kann beim Entwickeln des endgültigen Temperaturprofils mindestens eine der äußeren Oberflächenregionen der Bahn oder Platte aufgewärmt bzw. wieder aufgeheizt werden zu einer Temperatur, die dicht bei, jedoch unterhalb des Kristallit-Schmelzpunktes des Materials liegt. Eine andere Möglichkeit in Verbindung mit der Erfindung besteht darin, während, der Entwicklung des endgültigen Temperaturprofils mindestens eine der äußeren Oberflächenregionen der Bahn bzw. Platte aufzuwärmen bzw. wieder aufzuheizen bis zu einer Temperatur

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die höher als der Kristallit-Schraelzpunkt Tj, liegt und damit diese äußere Oberflächenregion der Bahn oder Platte in einen plastisch verformbaren Zustand zu bringen. Wenn man in dieser letzteren Weise verfährt, wird das | äußere Oberflächenmaterial der Bahn bzw. Platte in einen plastischen oder nahezu flüssigen Zustand gebracht, derart, daß das äußere Oberflächenmaterial frei von Kristallen ist, wenn es in den Thermoformungsschritt einläuft. Aber im Gegensatz zu der aus FR-PS 2 116 487 bekannten Methode sind solches Aufheizen an den äußeren Oberflächenregionen der Bahn bzw. Platte und die durch solches Aufheizen erzielten Temperaturen im erfindungsgemäßen Verfahren gut steuerbar, und deshalb kann gemäß der Erfindung ein Kristallwachstum in den äußeren Oberflächenregionen der Bahn bzw. Platte durch schnelles Kühlen während des Thermoformungsschrittes gut und reproduzierbar gesteuert werden. Solches rasches Abkühlen kann an der geformten Oberfläche in Berührung mit der Formwerkzeugfläche erfolgen. An der zweiten, nicht mit der Werkzeugoberfläche in Berührung kommenden Oberfläche der Artikelwand können zu dem sehr schnellen Kühlen zusätzliche Kühleinrichtungen oder Kühlmedien herangezogen bzw. mit dieser Oberfläche in Berührung gebracht werden. Das Aufwärmen bzw. Wiederaufheizen der einen oder beider Oberflächenregionen der Bahn bzw. Platte auf eine Temperatur, die oberhalb des Kristallit-Schmelzpunktes des

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jeweiligen Materials hat die Wirkung, daß die äußeren Qberflächenregionen der Artikelwand wesentlich erhöhte und verbesserte Warraformbeständigkeit und ferner verbesserte Oberflächeneigenschaften hinsichtlich Härte, i> Oberflächenglanz usw. aufweist. Ähnliche Effekte können eventuell auch im bekannten Verfahren nach FR-PS 2 116 487 denkbar sein. Jedoch fehlt dort jegliche | Steuermöglichkeit für die Bedingungen, unter denen solche Effekte erzielt werden könnten. Ferner sind bei den bekannten Verfahren das Wiederaufheizen und die Temperaturbedingungen sehr viel kritischer, so daß die Eigenschaften des Produktes erheblich weniger steuerbar ist als bei dem neuen Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung. Ferner sind bei dem bekannten Verfahren die Temperaturschwankungen über die Bahn bzw. Platte soeben vor dem Formungsvorgang wesentlich weiter als bei dem Verfahren gemäß der Erfindung, so daß auch bei dem bekannten Verfahren auch die Eigenschaften des Endproduktes weniger steuerbar sind.

Das neue Verfahren zur Herstellung dünnwandiger Artikel | aus kristallinem, thermoplastischem Material durch Thermoformen kann in verschiedener Art und Weise und in verschiedenen Ausführungsformen durchgeführt wrden.

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Eine mögliche Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß das Entwickeln des vorläufigen Temperaturprofils einschließt:

Aufheizen durch äußere Einwirkung an einer Bahn bzw. Platte aus kristallinem, thermoplastischem Material derart, daß das Material im Kernbereich eine Temperatur dicht bei, aber niedriger als die untere Grenze T« des kritischen Kristallit-Schmelztemperatur-Bereiches erreicht, wenngleich die äußeren Oberflächenregionen der Bahn bzw. Platte Temperaturen innerhalb oder oberhalb des kritischen Kristallit-Schmelztemperatur-Bereiches annehmen können, und

sehr rasches Abkühlen dieser Oberflächenregionen der Bahn bzw. Platte auf eine Temperatur unterhalb derjenigen des Materials im Kernbereich unter wesentlicher Steuerung des Kristallwachstums im Material der Oberflächenregionen.

Eine bevorzugte Ausführungsform des vorliegenden neuartigen Verfahrens kennzeichnet sich durch eine ununterbrochene Folge von Schritten, nämlich

a) Extrudieren der Bahn aus thermoplastischem Material bei einer Temperatur oberhalb des Kristallit-Schmelztemperatur-Bereiches des Materials;

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b) im wesentlichen unmittelbares, sehr rasches Vorkühlen der gegenüberliegenden Oberfläche der Bahn derart und soweit, daß das Material der Kernschicht auf eine Temperatur dicht bei, aber !interim halb des kritischen Kristallit-Schmelztemperatur- Bereiches unter vorherbestimmter, für Steuerung des Kristallwachstums im Material der Oberflächenregionen und der Kernschicht geeigneter Kühlgeschwindigkeit abgekühlt wird, wenngleich dabei die Oberflächenregionen der Bahn auf eine Temperatur gekühlt werden können, bei der ihr kristallines thermoplastisches Material verfestigt und nicht mehr thermoformbar ist;

c) Zulassen eines Aufwärmens der Oberflächenregionen der Bahn durch Wärmeleitung von Kernbereich her und Zugabe einer ausreichenden Wärmemenge durch äußere Einwirkung, derart, daß die Oberflächenregionen elastisch verformbaren Zustand bei einer Temperatur dicht bei, aber unterhalb des kritisehen Kristallit-Schmelztemperatur-Bereiches annehmen und

d) anschließendes Thermoformen und sehr rasches Abkühlen der Bahn unter Formen des gewünschten Artikels im wesentlichen Steuern des Kristallwachstums im Material während des Thermoformehs.

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Diese bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist geeignet, die technischen Vorteile eines In-Line-Verfahrens zur Herstellung dünnwandiger Artikel, insbesondere dessen hohen Wirkungsgrad, mit den speziellen Maßnahmen Lind Vorkehrungen zur Vermeidung oder Steuerung des Kristallwachstums während der Verfahrensschritte zu kombinieren und die Temperaturkonditionierung des Materials vor dem Thermoformen derart zu verbessern, daß ein optimales Temperaturprofil über die Dicke der Bahn bzw. Platte vorbereitet werden kann bevor die Bahn oder Platte in den Thermofοrmungsschritt einläuft.

Sogenannte In-Line-Verfahren sind bekannt beispielsweise aus US-PS 4 039 609. Das Prinzip solcher bekannter InLine-Verfahren umfaßt das Plastifizieren von thermoplastischem Material, beispielsweise granuliertem Material, durch Heizen und Komprimieren in einer Extruderpresse, Extrudieren dieses Materiales durch eine Breit-

schlitzdüse um eine Materialbahn zu formen und diese Materialbahn zum Stabilisieren vorzukühlen um die Bahn zum Transport zu einer Thermoformstation geeignet zu machen, und danach diese Bahn einem Thermoformvorgang zu unterwerfen um die gewünschten Artikel zu formen. Solche bekannten In-Line-Verfahren zeichnen sich durch hohen , Wirkungsgrad und sehr hohe Durchsatzleistungen für die Herstellung von Artikeln aus, jedoch schließen sie die

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Notwendigkeit ein,im Verlauf des Verfahrensganges das thermoplastische Material von der Extrudiertemperatur bis zur Raumtemperatur zu kühlen. Andererseits haben die bekannten In-Line-Verfahren den ökonomischen Vorteil, daß praktisch die gesamte kalorische Wärme, die dem Material zum Plastifizieren in der Extruderpresse zugeführt wird, für Ausnutzung im Thermoformungsschritt gewonnen werden kann. Dieser ökonomische Vorteil wird ebenfalls bei der oben erwähnten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beibehalten, weil das Vorkühlen nur soweit geführt wird, daß das Kernmaterial der Bahn oder Platte seine geeignete und gewünschte Temperatur zum Thermoformen erreicht, während nur die dünnen, äußeren Oberflächenregionen der Bahn bzw. Platte etwas Wiederaufheizung benötigen, wobei weitgehend die für dieses Wiederaufheizen oder Aufwärmen benötigte kalorische Wärme vom Kernmaterial durch Wärmeleitung vom Kern zu den äußeren Oberflächenregionen der Bahn oder Platte übernommen wird. Einige Möglichkeiten zur Ausführung des Verfahrens werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 zwei Diagramme bezüglich zweier Möglichkeiten für die Durchführung des Verfahrens zum Formen dünnwandiger Artikel aus kristallinem, thermoplastischem Material, bei denen zur Temperatur-

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konditionierung die Materialbahn vorgekühlt und vor dem Thermoformen wieder aufgewärmt bzw. an den Oberflächen wieder geheizt wird;

Fig. 2 A und Fig. 2 B grafische Darstellungen, die die Temperaturverhältnisse im kristallinen, thermoplastischen Material für einige Möglichkeiten zur Durchführung des neuartigen Verfahrens nach Fig. illustrieren;

Fig. 3 eine vergrößerte Teilschnittdarstellung, die die Bedingungen im Inneren der Materialbahn wiedergibt;

Fig. 4 A und Fig. 4 B vergrößerte Teilschnitte, die die Formungsbehandlung an der Materialbahn in einem Verfahren gemäß Fig. 1 illustrieren; Fig. 5 noch vergrößerte Teilschnitte, die die kristalline Struktur in der Wand von gemäß den Bedingungen entsprechend a , b und c der Fig. 2 B geformten Artikeln verdeutlichen;

Fig. 6 ein Diagramm für eine Stabilisierungs- und Transport-Umsetzvorrichtung, wie sie in Verbindung mit dem neuen Verfahren zur Herstellung dünnwandiger Artikel aus kristallinem, thermoplastischem Material vorteilhaft ist;

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Fig. 7 ein Diagramm für eine abgewandelte Stabilisierungsvorrichtung, wie sie .in Verbindung mit dem neuartigen Verfahren zur Herstellung dünnwandiger Artikel aus kristallinem, thermoplastischem Material benutzbar ist, und

Fig. 8 eine Schnittdarstellung einer Thermoformvorrichtung, wie sie in Verbindung mit dem neuartigen Verfahren zum Herstellen dünnwandiger Artikel aus kristallinem,thermoplastischem Material eingesetzt werden kann.

Bei dem in Fig. 1, Teil a) wiedergegebenen, neuartigen Verfahren wird kristallines, thermoplastisches Material in einer Extruderpresse 1 erhitzt und komprimiert und plastifiziert und fließt von dort aus einer Breitschlitzdüse 2 um als Materialband unmittelbar von einer Stabilisierungsstation 3 übernommen zu werden. Eine sdbhe Sta-, bilisierungsstation 3 kann eine Mehrzahl von Kühlwalzen enthalten oder kann aufgebaut sein, wie unten in Verbindung mit Fig. 6 und 7 erläutert. Während dieses Stabilisierens wird die Materialbahn I durch den kritischen Kristallit-Schmelztemperatur-Bereich des jeweiligen kristallinen, thermoplastischen Materials hindurchgekühlt . Durch dieses Kühlen nimmt das Kernmaterial eine Temperatur an, die dicht bei, aber unterhalb der

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kritischen Temperatur Tp liegt, also unterhalb der unteren Grenztemperatur des kritischen Kristallit-Schmelztemperatur-Bereiches ß des jeweiligen Materials. Dies ergibt sich aus den Kurven E und G in Fig. 2 B. Durch solches Kühlen können die äußeren Oberflächenbereiche oder -regionen der Materialbahn I auf relativ niedrige Temperatur gekühlt werden, so daß diese äußeren Oberflächenregionen der Materialbahn nicht mehr verformbar sind. Bei den in Fig. 2 B veranschaulichten Beispielen ist die Extrudiertemperatur T_E herkömmlich aber in jedem Fall oberhalb des Kristallit-Schmelzpunktes T„ des jeweiligen kristallinen, thermoplastischen Materials. Im Stabilisierungsschritt wird die Materialbahn sehr rasch abgekühlt, so daß ein ferneres Kristallwachstum im Material praktisch während dieses Abkühlens unterdrückt wird. Wenn aus irgendwelchen Gründen erwünscht, kann das Abkühlen auch derart ausgeführt werden, daß die Kühlgeschwindigkeit geringer und dadurch die Kühlzeit lang genug wird um ein gesteuertes Kristallwachstum im Material zu erhalten. Nach dem Stabilisieren wird die Materialbahn I kontinuierlich von der Stabilisierungsstation 3 zu einer Bewegungs-Steuer- und Umsetzvorrichtung bewegt um die kontinuierliche Vorschubbewegung der Materialbahn in eine schrittweise Vorschubbewegung umzusetzen.

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Dipl.-Piiys.Heinridi Si-ids · i'alontanwalt · Uirrslailtrr Höhe is · I'oslfaih 5105 · 6zoo Wiesbacjepfi κ-Α&.(ιί*5^2|1 56 53 82

Die intermittierend vorgeschobene Materialbahn läuft durch eine Raststation 5, wo die soeben geformte und an den Oberflächen durch Vorkühlen stabilisierte Materialbahn rekonditioniert wird, und zwar durch Wärmeleitung vom Kernmaterial zu den Außenschichten und durch Zuführen ausreichender "Wärmemengen an den Außenschichten durch von außen her wirksame Einrichtungen, beispielsweise Strahlungsheizeinrichtungen, derart, daß alle Schichten oder Regionen der Materialbahn elastisch verformbar werden. Die Materialbahn erhält dadurch ein gewünschtes Temperaturprofil, wie es durch die Kurven H in Fig. 2 B wiedergegeben ist. Nach Annehmen dieses gewünschten Temperaturprofils wird die Materialbahn in die Thermoformstation 6 eingeführt um dort unter sehr schnellern Abkühlen thermogeformt zu werden, wie dies unten beschrieben wird. Danach können die in der Materialbahn geformten Artikel in einer Trimmstation 7 ausgeschnitten werden.

Bei der im Teil b) der Fig. 1 gezeigten Modifikation ist eine Station 10 zum biaxialen Recken der Materialbahn vorgesehen. In dieser Modifikation ist eine Station 5 zum Wiederaufheizen der äußeren Oberflächenregionen der Materialbahn I djrekt hinter der Stabilisierungsstation 3 angeordnet. Nach dem die Oberflächenregionen der Materialbahn wieder aufgewärmt worden sind, wird ein biaxia-— 909807/0739

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les Recken vorgenommen um die mechanischen Eigenschaften der Materialbahn und der daraus hergestellten Artikel zu verbessern. Nach Verlassen dieser Reckstation 10 wird die Materialbahn in eine Bewegungs-Steuer- und Umsetzvorrichtung 4 eingeführt um den kontinuierlichen Vorschub in einen intermittierenden Vorschub um-zusetzen. Von dieser Bewegungs-Steuer- und Umsetzvorrichtung 4 wird die Materialbahn in die Thermoformstation 6 überführt. Nachdem die Artikel in der Materialbahn geformt worden sind,können diese in der Trennstation 7 ausgeschnitten werden.

In beiden, in Fig. 1 gezeigten Möglichkeiten kann der restliche Teil der Materialbahn in einer zusätzlichen Station 8 zurückgewonnen und granuliert werden. Das so zurückgewonnene Material kann zur Extruderpresse zurückgeleitet werden.

Die Figuren 2 A und 2 B sind grafische Darstellungen um die Temperaturverhältnisse und speziellen Temperaturbedingungen zu illustrieren, die bei dem oben generell in Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen Verfahren benutzt v/erden sollten. Wie in Fig. 2A und 2 B gezeigt, sind die interessierenden Temperaturbereiche wie folgt zu betrachten:

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Es besteht eine untere Temperaturgrenze T_n, bei der das Schmelzen von Kristallen beginnt, wenn man solches kristallines, thermoplastisches Material erhitzt. Unterhalb dieser kritischen Temperaturgrenze Tp liegt ein Temperaturbereich ß bis zu einer unteren Temperaturgrenze T.. In diesem Temperaturbereich ß ist das kristalline, thermoplastische Material thermoformbar, jedoch als ein Thermoformen im wesentlichen im Sinne eines Reckens, so daß ein unter Temperaturbedingungen im Temperaturbereich β geformter Artikel mehr oder weniger elastisch geformte und gereckte Wandung aufweist und nur geringe Warmformbeständigkeit aufweist. Ein Thermoformen unter Temperaturbedingungen unterhalb T. ist praktisch unmöglich.

Oberhalb der kritischen Temperatur T_c liegt der kritische Kristallit-Schmelztemperatur-Bereich bis zu einer oberen Grenztemperatur T^. Innerhalb dieses kritischen Temperaturbereiches ß tritt Kristallwachstum ein, wenn kristallines, thermoplastisches Material durch diesen Temperaturbereich ß gekühlt wird. Oberhalb der oberen Grenztemperatur Tj, des kritischen Kristallite Schmelztemperatur-Bereiches ß besteht für die meisten kristallinen, thermoplastischen Materialien ein Temperaturbereich)^» ^{der in} Verbindung mit der Erfindung als für das Thermoformen besonders geeignet gefunden wurde. Dies gilt besonders für den unteren TeXlV₁ dieses

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Temperaturbereiches}^, wobei jedoch auch der obere Teil Y2 noch für das Thermoformen geeignete Temperaturbedingungen bietet. Oberhalb der oberen Grenztemperatur Tg dieses Temperaturbereiches y liegt ein oberer Temperaturbereich^ , der besonders für Spritzgießen und Extrudieren des Materials in Betracht kommt. So zeigt Fig. 2 B eine Extruder temperatur Tj,, die in diesem oberen Temperaturbereich(f liegt.

Aus den Figuren 2 A und 2 B ist auch das spezielle Problem ersichtlich, das sich ergibt, wenn man ein In-Line-Verfahren zur Herstellung von Artikeln aus kristallinem, thermoplastischem Material benutzt, nämlich die Tatsache, daß während eines solchen In-Line-Verfahrens das Abkühlen des Materials von der Extrudiertemperatur T-r, zu einer unteren Temperatur, beispielsweise der Temperatur T., erfolgen muß und dabei das Material durch den kritischen Temperaturbereich ß gekühlt werden muß, innerhalb dessen Kristallwachstum eintritt.

Wie aus Fig. 2A ersichtlich, treten innerhalb des oben I erwähnten Temperaturbereiches ß des sogenannten j

I Kristallit-Schmelztemperatur-Bereiches die wesentlichen

kristallinen Änderungen in dem Material ein. Solche . Änderungen sind sowohl Schmelzen von Kristallen als auch Wachsen von Kristallen. Die untere Grenze dieses kri-

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tischen Temperaturbereiches ß soll im folgenden als kritische Temperatur T„ bezeichnet v/erden, während die obere Grenze im folgenden als Kristall!L-Schmelzpunkt T., bezeichnet wird. Beim Aufheizen des Materials oberhalb T_c auf eine Temperatur innerhalb dieses Kristallit-Schmelztemperatur-Bereiches ß beginnen die kleinen Kristalle, die schon in dem kühleren Material enthalten sind zu wachsen, wobei jedoch andererseits die Kristalle auch zu schmelzen beginnen, wenn das Material weiter erwärmt wird. Dies mag der Grund dafür sein, daß die in Fig. 2 A gestrichelt gezeigte, sich auf das Heizen des Materials beziehende Kurve als wesentlich flacher gefunden wurde als die voll ausgezeichneten, sich auf das Kühlen des Materials beziehenden Kurven. Beim Kühlen des kristallinen, thermoplastischen Materials von oberhalb des Kristallit-Schmelzpunktes T^ durch den kritischen Temperaturbereich ß auf eine Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur T_c ist das Material im wesentlichen in amorphem Zustand. Wenn das Material Temperaturen innerhalb des kritischen Temperaturbereiches ß erreicht, beginnen Kristalle sich zu entwickeln und zu wachsen. Das Kristallwachstum und die endgültige Größe der Kristalle, die bei solchen Kühlen erreicht wird, hängt von der Zeitdauer ab, während der die Materialtemperatür innerhalb dieses kritischen Temperaturbereiches ß liegt. Dies ist aus den drei verschiedenen Kurven in

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Fig. 2a ersichtlich: S für langsames Kühlen, M für mittlere Kühlgeschwindigkeit und R für schnelles Kühlen.

Es ist daher möglich, das Kristallwachstum in dem kristallinen, thermoplastischen Material durch Benutzung einer vorherbestimmten Kühlgeschwindigkeit innerhalb des kritischen Temperaturbereiches ß zu steuern. Wenn man langsam abkühlt ergibt sich eine relativ grobe kristalline Struktur des Materials, während bei sehr schnellem Abkühlen eine relativ feine kristalline Struktur des Materials erzielt wird. Beachtet man diese Grundsätze in Verbindung mit dem Verfahren nach Fig. 1, so ist klar, daß beim Abkühlen des Materials von der Extrudiertemperatur T-™ zur normalen Raumtemperatur des Artikels es zu irgendeinem Zeitpunkt notwendig ist, das Material durch den kritischen Temperaturbereich ß zu kühlen. Es ist daher eine spezielle Aufgabe der Erfindung, besondere Wege zu finden, mit denen solches Abkühlen durch den kritischen Temperaturbereich ß so ausgeführt werden kann, daß eine Steuerung des Kristall-Wachstums in dem Material in jeglicher gewünschten Weise erzielt wird.

Was überraschenderweise im Rahmen der Erfindung entdeckt wurde ist, daß das sehr schnelle Abkühlen durch den Bereich ß und günstiges Steuern der Kristallstruktur ge-

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nauso gut und noch besser erreicht werden können durch nur partielles Abkühlen der Materialbahn, wie das durch bisher iür nötig gehaltene vollständige Abkühlen bis auf Umgebungstemperatur.

Fig. 2 B zeigt einige bevorzugte Möglichkeiten für solches Abkühlen, mit denen das Kristallwachstum in den Kernregionen der Materialbahn wesentlich reduziert werden kann und durch die zufriedenstellende Temperaturbedingungen für das Thermoformen unter Steuerung des Kristall-Wachstums erreicht werden können.

Wie die Kurven G in den drei Fällen a, b und c der Fig. 2 B zeigen, wird die Materialbahn von ihrer Extrudiertemperatur T-g so weit gekühlt, daß das innere Kernmaterial der Bahn eine Temperatur erreicht, die tiefer liegt als die kritische Tönperatur Tp, aber mehr oder weniger nahe an dieser kritischen Temperatur T_c. Diese Temperaturprofil-Kurven G, wie sie durch Vorkühlen erreicht werden, sind in den Fällen a, b und c etwas verschieden dargestellt um zu zeigen, daß dieses Kühlen unter verschiedenen Bedingungen vorgenommen werden kann, jedoch in jedem Fall ist es notwendig, daß das innere Kernmaterial eine Temperatur annimmt die tiefer liegt als T_c, aber wesentlich höher als die Verfestigungstemperatur T..

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ORIGINAL INSPECTED Dipl.-Phys. Heinrich Scids - I'aU-nLinwalt · Bierst.uHer Höhe 15 · Postfach 5105 - 6200 Wiesbaden I · ig" {ο 6t 21) 56 55

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Wenn man die äußeren Oberflächenregionen der Materialbahn wieder aufwärmt, kann etwas Wärme vom inneren Kernmaterial zu diesen äußeren Regionen der Bahn geleitet ,

weiter abkühlen, wie dies durch die innere Region der Kurven H in den drei Fällen a, b und c der Fig. 2 B gezeigt ist. Ferner ist dieses Wiederaufwärmen der äußeren Oberflächenregionen der Materialbahn kombiniert mit dem Zufügen von Wärme durch äußere Einrichtungen, beispielsweise Infrarotheizstrahler. Im Fall a) der Fig. 2 B wird im wesentlichen die gleiche Wärmemenge an beiden Oberflächen der Materialbahn zugefügt, so daß die Temperaturprofilkurve H im Fall a) praktisch symmetrisch wird. Die durch äußere Einrichtungen zugeführte Wärmemenge zu beiden Bahnoberflächen ist dort so, daß die Oberflächentemperatur in den kritischen Kristallit-Schmelztemperatur-Bereich ß kommt, wobei - wie die gestrichelte Kurve in , Fig. 2 A zeigt - kein wesentliches Kristallwachstum zu erwarten ist. Vorher gebildete Kristalle sind bestrebt zu schmelzen, wenn die Temperatur T_M erreicht. Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, daß das Kristallwachstum innerhalb solcher Lagen nicht nennenswert ist, wenn nur ein kurzes Aufwärmen auf Temperaturen im unteren Teil des Bereiches ß vorgenommen wird, bei dem auch noch nicht ein merkliches Schmelzen von Kristallen eintritt.

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Daher ist das Kristallwachstum in den äußeren Oberflächenregionen ausreichend steuerbar, wenn auch ein erneutes Heizen in diesen kritischen Kristallit-Schmelztemperatur-Bereich ß erfolgt. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, ist solche Verfahrensführung geeignet, strukturelle Bedingungen in der Artikelwand zu schaffen, bei der das Kemmaterial der Wand Kristalle 22 mittlerer Größe und Kristalle 23 erheblicher Größe enthält. Beide Kristalltypen sind gereckt. Ferner wird die Kristallgröße erheblicher in den innersten Bereichsteilen sein und kleiner in den Bereichen in Hachbarschaft der Oberflächenregionen der Artikelwand. In den äußeren Oberflächenregionen der Artikelwand befinden sich kleine Kristalle 21. Diese kleinen Kristalle haben sich entwickelt als die Materialbahn durch den kritischen Kristallit-Schmelztemperatur-Bereich ß gekühlt wurde. Dieses Kühlen in den äußeren Regionen der Materialbahn war jedoch so schnell, daß kein wesentliches Kristallwachstum eintreten konnte. Sobald das Kühlen im Thermoformungsschribt einsetzte, wurde das

Kristallwachstum definitiv abgehalten. Dieses Kühlen beim j Thermoformen war aber etwas rascher an derjenigen Ober- '

fläche des Artikels, die in Berührung mit der gekühlten i

Werkzeugfläche lag, während die Kristalle in der Außenflächenregion der Wand, die nicht in Berührung mit der gekühlten Werkzeugfläche kam, etwas mehr wachsen konnten.

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Wie jedoch in Verbindung mit Fig. 4 B und Fig. 8 erläutert, kann ein zusätzliches Kühlen vorgesehen sein um auch in dieser anderen Oberflächenregion, die nicht in Berührung mit der Werkzeugoberfläche kommt, auf ein Mindestmaß zu beschränken.

Ferner ist aus Teil a) der Fig. 5 ersichtlich, daß etwas Reckung an den Kristallen kleiner Größe auch in den äußeren Oberflächenregionen erzielt wird. Diese Reckung ist aber verhältnismäßig gering, weil die Kristalle in den Oberflächen praktisch geschmolzen wurden bei Temperaturen, die dicht bei T_M liegen und daher beim Ausformen praktisch keine Kristalle in den Oberflächenlagen vorhanden waren.

In einer zweiten Möglichkeit, wie sie durch die Teile b) der Figuren 2 B und 5 dargestellt ist, schließt das , Wiederaufheizen der äußeren Oberflächenregionen der Materialbahn ein Zuführen einer solchen Wärmemenge durch äußere Einrichtungen ein, daß das Material in den äußeren Oberflächenregionen der Bahn auf eine Temperatur oberhalb des Kristallit-Schmelzpunktes T^ gebracht wird. So läuft die Materialbahn unter solchen Bedingungen in den Thermoformungsschritt ein, daß ihr Kernmaterial Kristalle mittlere Größe und erheblicher Größe enthält, die unter

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einer Verfahrensbedingung gemäß Teil a) der Fig. 1 ungereckt sein können oder vorgereckt sein können, wenn Verfahrensbedingungen gemäß Teil b) der Fig. 1 benutzt werden. Jedenfalls ist das Material in den äußeren Oberflächenregionen der Materialbahn frei von Kristallen, wenn diese in den Thermoformungsschritt einläuft, weil sich das Material in diesen Regionen in plastifiziertem, nahezu flüssigem Zustand befindet und alle Kristalle, die vorher vorhanden gewesen sein können, während des Wiederaufheizens geschmolzen wurden. Unter solchen Bedingungen wird etwas Kristallwachstum in den äußeren Oberflächenregionen der Materialbahn bzw. Artikelwand während der Zeitspanne eintreten, wenn die geformte Artikelwand gekühlt wird. An der einen Seite, die in Berührung mit dem gekühlten Werkzeug ist, tritt sehr rasches Abkühlen ein, und es entwickeln sich daher auch nur sehr kleine Kristalle im Material dieser Oberflächenregion der Ar- - tikelwand, wie dies bei 24 in Teil b) der Fig. 5 dargestellt ist. Da das Kühlen und damit auch das Kristallisieren in dieser Zone erst eintritt, nachdem die Verformung der Materialbahn abgeschlossen ist, sind diese Kristalle ungereckt und unorientiert. Im Material der anderen Oberflächenregion ist das Abkühlen langsamer,und deshalb können die Kristalle zu einer Mittelgröße wachsen, Sie sind aber auch generell ungereckt und unorientiert,

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wie dies bei 25 in Teil b) der Fig. 5 dargestellt ist. ! Dies kann in manchen Fällen erwünscht sein, um höhere j Steifigkeit und Härte an dieser Oberfläche zu erzielen.

j Aber in manchen Fällen kann es erwünscht sein, Struktur- !

j 5 Verhältnisse des Materials in der zweiten Oberflächen-

j region der Artikelwand zu erhalten, die praktisch die I

gleichen sind wie in der ersten Oberflächenregion. Dies '

i bedeutet, daß das Kristallwachstum in der zweiten Ober- !

j flächenregion der Artikelwand ebenfalls auf ein Mindest-

j 10 maß beschränkt werden muß. Dies kann durch zusätz3.iches j

i ί

I Kühlen an der Oberfläche der geformten Artikelwand er- j

> zielt werden, die nicht in Berührung mit der gekühlten ■ Werkzeugfläche liegt. Solche Möglichkeit für zusätzliches

i Kühlen wird weiter unten in Verbindung mit Fig. 4 B und j 15 Fig. 8 erläutert.

ι Eine andere Möglichkeit um das Heranwachsen der Kristalle

zu einem Mittelgrößentyp zu vermeiden kann sein, daß nur diejenige Oberflächenregion der Materialbahn auf eine j Temperatur oberhalb des Kristallit-Schmelzpunktes 1\, er- ! 20 hitzt wird, die in Berührung mit der gekühlten Werkzeug-

fläche während des Thermoformungsschrittes gekühlt werden

soll. Die andere Oberflächenregion der Materialbahn kann aufgewärmt werden, jedoch dann nur auf eine geringere Temperatur, beispielsweise auf eine Temperatur nahe bei, 25 jedoch unterhalb des Kristallit-Schmelzpunktes T^.

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Vielleicht sollte man überhaupt diese zweite Oberfläche nur auf eine Temperatur aufwärmen, die nahe bei, aber unterhalb der kritischen Temperatur T„ liegt. Die letztere Möglichkeit ist in den Teilen c) der Figuren 2 B und 5 wiedergegeben. Wenn man die Oberflächenregionen der Materialbahn in solcher V/eise aufwärmt, wird naturgemäß die Temperaturprofil-Kurve H unsymmetrisch. Dies stellt aber keinerlei Schwierigkeit in Verbindung mit der Erfindung dar.

Wie im Teil c) der Fig. 5 dargestellt, v/erden die inneren Kernbereiche der Artikelwand gereckte oder orientierte Kristalle 22 mittlerer Größe und gereckte oder orientierte Kristalle 25 größerer Type enthalten, praktisch in gleicher Weise wie in den Teilen a) und b) der Fig.

gezeigt. Weiterhin wird diejenige der Oberflächenregionen die in Berührung mit der Werkzeugfläche gekühlt wird, Strukturverhältnisse im Material aufweisen, die praktisch gleich denjenigen sind, wie sie oben in Verbindung mit Teil b) der Fig. 5 erläutert wurden. Dies bedeutet, daß in dieser gekühlten Oberfläche nur kleine ungereckte Kristalle 24 vorhanden sein werden. In der zweiten Oberflächenregion der Artikelwand sind nur sehr kleine und gereckte Kristalle vorhanden, weil das Material in dieser zweiten Oberflächenregion beim Vorkühlen außerordentlich schnell gekühlt wurde und die Wiederaufheiztemperatur

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geringer war, als die kritische Temperatur Tp. Wenn der Wiederaufwärmschritt in dieser zweiten Oberflächenregion der Materialbahn bis zu einer Temperatur innerhalb des kritischen Kristallit-Schmelzteriiperatur-Bereiches vorge- ι sehen ist, wird praktisch gleiche,wie auf der rechten ι Seite im Teil a) der Fig. 5 gezeigte kristalline Struktur in der zweiten Oberflächenregion erzielt.

Die oben in Verbindung mit Fig. 2 erörterten Verhältnisse und Bedingungen werden in dem vergrößerten Schnitt der Fig. 3 gezeigt. Während des Vorkühlschrittes wird j die Materialbalin I so vorgekühlt, daß die äußeren Ober- ! flächenregionen zu verfestigten, tragfähigen Schichten ^; 1 werden und eine Temperatur aufweisen, bei der eine

ι permanente Verformung durch Therrnoformen nicht möglich ■ 15 ist. Das Material des Kernes C dagegen wird nur bis zu einer Temperatur gekühlt, die dicht bei, aber unterhalb

des kritischen Kristallit-Schmelztemperatur-Bereiches j liegt, so daß das Kernmaterieil der Bahn thermoformbar ist, ! und avar im wesentlichen durch elastisches Verformen unter J Recken. Das Material des Kernes C wird unter solcher i Temperaturbedingung gehalten, während die äußeren Ober- j flächenregionen wieder aufgewärmt werden, wie dies bei > 1 gezeigt ist, so daß sie plastisch verformbar werden unter Bedingungen, wie es in Verbindung mit Fig. 2 B oben j erläutert wurde.

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Wie in den Figuren 4 A und 4 B gezeigt, wii'd während

1 1 des Thermoformungsschriltes die Dicke (χ -χ ) der Materialbahn wesentlich reduziert um eine gewünschte

PP '

Wandstärke (x -x ) für den Artikel zu erhalten. Während i eines solchen Formungsschrittes unter Dickenreduzierung | erfolgt ein wesentliches Recken des Kernmaterials C, ι

2 während die Oberflüchoncchichten 1 plastisch über das j

gereckte Kernmaterial C geformt wird- . . i

Wie ferner aus Fig. 4 B hervorgeht, wird die eine Oberfläche der Materialbahn bzw. der Artikelwand durch Be-. rührung mit der gekühlten Oberfläche des Werkzeugs W gekühlt. Die andere Oberfläche der geformten Artikelwand kann mittels Kühlmedium gekühlt werden, das - wie durch die Pfeile K angedeutet - in das Werkzeug eingefühlt wird Solches Kühlmedium kann gasförmiges Medium oder Kühlflüssigkeit sein. Man kann aber auch pulverisiertes Trockeneis auf diese zu kühlende Oberfläche blasen.

Fig. 6 zeigt eine neuartige Kombination einer Stabilisierungs- und Bewegungs-Umsetzstation. In dieser neuartigen Kombination wird die Materialbahn I durch eine Führungswalze 101 in ein Flüssigkeit enthaltendes Kühlbad 102 eingeführt. Durch ihren kontinuierlichen Vorschub bewegt sich die Materialbahn vertikal nach unten in diesem Bad zu einer unteren Umlenkwalze 103. Von

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dieser Umlenkwalze 103 bewegt sich die Materialbahn I im wesentlichen vertikal aufwärts.durch das Kühlbad zu einer zweiten Umlenkwalze 104, die in ihrer Gesamtheit d.h., mit ihrer beidseitigen Lagerung für auf- und abwärtige Bewegung oberhalb des Kühlbades 102 angebracht ist, wie dies durch den Doppelpfeil HO angedeutet wird.

Durch solche auf- und abwärtige Gesamtbewegung der Umlenkwalze 1O4 wird der kontinuierliche Vorschub der Materialbahn I in einen intermittierenden, schrittweisen Vorschub in Übereinstimmung mit dem in der Thermoformstation 6 gemäß Fig. 1 stattfindenden schrittweisen Thermoformungsvorgang an der Materialbahn umgesetzt.

Um die Kühlwirkung innerhalb des Bades 102 zu steuern, kann die untere Umlenkwalze 103 hinsichtlich ihrer Anbringungshöhe in dem Bad 102 verstellt werden. Mit Einstellung der Umlenkwalze 103 in oberer Stellung wird der Bewegungsweg der Bahn innerhalb des Bades 102 verkürzt. Mit Einstellung der Umlenkwalze 103 in unterer Stellung wird der Bewegungsweg der Materialbahn I innerhalb des Bades 102 langer und damit die Kühlwirkung erhöht.

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Mib Verlassen der Tenzer-Umlenkwalze 104 erreicht die vorgekühlte Materialbahn I eine Rekonditionierungstrommel 105, deren Oberfläche geheizt sein kann um sie der

mit der Trommel 105 in Berührung kommenden Bahnoberfläche zuzuführen. Da diese Trommel 105 und der in Berührung mit ihr liegende Bahnabschnitt intermittierend bewegt werden, ist es ratsam, die Berührungsfläche der Bahn I mit der Oberfläche der Trommel 105 mit der Länge desjenigen Bahnabschnittes abzustimmen, der in einem Schritt thermogeformt werden soll. Für solche Abstimmung kann eine zusätzliche Umlenkwalze 1θ6 vorgesehen sein, die um die Rekonditionierungstrommel 105 heriium im Sinne des Pfeiles 107, wie in Fig. 6 dargestellt, einstellbar ist. Ein solches Verstellen ist nur dann notwendig, wenn bei Austausch eines Werkzeugsatzes auch eine Änderung des Vorschubschrittes in der Formstation 6 notwendig werden sollte. Um die zweite Oberfläche der Materialbahn I wieder aufzuwärmen ist eine äußere Wiederaufheizvorrichtung 108 vorgesehen, die sich entlang der Materialbahn I erstreckt und eine Anzahl von Heizelementen enthält. Die Länge dieser äußeren Aufheizvorrichtung ist gleich der maximalen Berührungslänge zwischen der ersten Bahnoberfläche mit der Rekonditionierungstrommel 105. Naturgemäß ist auch die effektive Länge dieser Wiederaufheizvorrichtung 108 längs der Materialbahn I der Länge eines Vorschubschrittes für die Thermoformstation

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anzupassen. Ein solches Anpassen kann durch Einschalten nur einer solchen Anzahl von Heizelementen der Wiederaufheizvorrichtung 103 erfolgen, wie es der gewünschten Länge eines Vorschubschrittes entspricht. in der in Fig. 6 wiedergegebenen Ausiührungsform kann die Wiederaufheizvorrichtung 108 Inl'rarot-Strahlungsheizelemente 109 enthalten. Es können aber auch Heizelemente 109 jeglicher anderen Art, beispielsweise Düsen zum Erzeugen von auf die Oberfläche der Materialbahn gerichteten Strahlen von Heizluft, Dampf oder heißer Flüssigkeit, vorgesehen sein.

Im Ausführungsbeispiel nach !''ig. 7 wird die in der Extruderdüse 2 erzeugte Matorialbahn I von einem Paar gekühlter Transportwalzen 41 übernommen und konstant in eine Vorkühlvorrichtung 3 eingeführt. In diesem Beispiel ist die Vorkühlvorrichtuug ähnlich einer Kalibriervorrichtung mit Flüssigkeitsbad ausgebildet. Eine solche Kalibriervorrichtung 42 hat in diesem Beispiel zwei Kammern 43 und 44, von denen die erste Kammer 43 an ihrer Eingangsseite einen Dichtungsflansch 45 und in Verbindung damit einen Kühlplattensatz 46 aufweist, der in Beührung mit den Oberflächen der Materialbahn I kommt. Am Ende dieses Kühlplattensatzes ist ein Uberführungsrohr 47, das in die aweite Kammer 44 mündet. Innerhalb der ersten Kammer 43 wird das Kühlmedium durch den Kühl-

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plattensatz 46 zirkuliert und gespült, so daß maximaler Wirkungsgrad der Kühlwirkung erreicht wird. In der zweiten Kammer 44 wird die Materialbahn I konstant durch die Kühlflüssigkeit gezogen, die dort auch in Zirkulation um die Materialbahn I herum gehalten werden kann. Am Ausgang der zweiten Kammer 44 befindet sich wieder ein Abdichtflansch 48. Wenn die Materialbahn I aus der Vorkühlvorrichtung 3 austritt, wird eie durch eine Vorrichtung 5 gezogen um beiden Oberflächen der Materialbahn I zu einer der oben in Verbindung mit Fig. 2 B erläuterten Regionkonditionierungsmöglichkeiten der äußeren Oberflächenregionen Wärme zuzuführen. Eine solche Wiederaufheizvorrichtung kann Infrarotstrahlungsheizelemente 49 j

enthalten. Wenn die Materialbahn diese Wiederaufheizvor-T5 richtung 8 verläßt wird sie von einem Paar von Transportwalzen 50 übernommen, die kontinuierlich mit gleicher Geschwindigkeit wie das Walzenpaar 41 angetrieben werden. So wird die Materialbahn I konstant durch die Vorkühl-' vorrichtung 3 und die Wiederaufheizvorrichtung 5 gezogen. In einem Abstand 51 von diesem Transportwalzenpaar 50 1st ein zweites Transportwalzenpaar 52 vorgesehen. Dieses zweite Transportwalzenpaar 52 wird mit einer vorherbestimmten höheren Geschwindigkeit als das Transportwalzenpaar 50 angetrieben, so daß die Materialbahn I in ihrer Längsrichtung über diesen Abstand 51 gereckt wird. Hinter einem weiteren Abstand 53 befindet sich

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ein weiteres Transportwalzenpaar 54, das mit praktisch gleicher Geschwindigkeit wie das Transportwalzenpaar 52 angetrieben wird. Zwischen dem Transportwal2enpaar 52 und dem Transportwalzenpaar 54 sind Einrichtungen 55 zum Querrecken der Materialbalm I angebracht, die seitlich an der Bahn I angreifen und sie seitlich d.h., quer zur Transportrichtung recken.

Vom Transportwalzenpaar 54 am Ausgang des Querreck-Abstandes 53 wird die biaxial gereckte Materialbahn von einer Tenzerwalze 56 übernommen, die geeignet ist, sich

in ihrer Gesamtheit auf- und abwärts zu bewegen, wie dies durch den Doppelpfeil 57 angedeutet ist. Diese Tenzerwalze 56 ist das Hauptelement der Bewegungs-Steuerungsund Umsetzvorrichtung 4. An der Ausgangsseite dieser Bej 15 wegungs-Steuerungs- und Umsetzbewegung 4 befindet sich ein Paar von intermittierend angetriebenen Transportwalzen 58, um die Materialbahn schrittweise bei geöffneter Thermoformvorrichtung in die Thermoformstation 6

einzuführen. Wenn die Artikel 59 in der Materialbahn j

geformt sind, werden sie in einer sich an die Thermoform- f

i station 6 anschließenden Trimmstation 7 ausgestanzt.

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Eine bevorzugte Möglichkeit für den Aufbau der in der Thermoformstation 6 enthaltenen Thermoformvorrichtungen ist in Fig. 8 gezeigt. In dieser Ausführungsform wird eine Negativform vorgesehen, die mit einem Streckhelfer 21 zusammenwirkt, der selbst wiederum an seiner mit der Mäterialbahn in Berührung kommenden Oberfläche mit einer wärmeisolierenden, porösen Schicht, beispielsweise einem Filzbelag 63, belegt ist. Der Streckhelfer 61 ist mit einer Einlaßbohrung 60 und Verzweigungsbohrungen 64 dazu

"*0 angepaßt, an Preßßluft angeschlossen zu werden, die durch den Filzbelag 63 fein verteilt wird. Das Innere der Negativform 62 ist an der Außenseite der Materialbahn mit Evakuierungsbohrungen 65 versehen, die ein zeitweiliges Anlegen von Vakuum ermöglichen. Aufbau und Arbeitsweise solcher Formvorrichtungen sind an sich bekannt. Bei Benutzung einer Thermoformvorrichtung nach Fig. 8 in Verbindung mit der Erfindung wird zunächst der Streckhelfer 61 die Materialbahn I so recken, daß ihre Innenlage unter Recken (bzw. weiterem Recken, wenn ein Vorrecken gemäß Fig. 7 vorgesehen ist) elastisch geformt wird. Weiteres elastisches Formen wird durch Anpressen der Materialbahn 1 durch Einführen von Preßluft gegen die metallene Innenfläche der Negativform 62 vorgenommen. Bei diesem Arbeitsgang wird die eine heiße und verformbare äußere Oberflächenrc£ion Ia über die Oberfläche der relativ kühlen und gereckten Innenschicht der Materialbahn verteilt und

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gegen die Oberfläche der gekühlten Ilegativform 62 gepreßt. Die innere Oberflächenregion Ic wird über die innere Oberfläche der gereckten Kernschicht Ib verteilt und durch die eingeführte Preßluft gekühlt (Entspannungskühlung an der Filzschicht 63). Wenn es erwünscht ist eine intensivere Kühlung zu erreichen, kann irgendein Kühlmedium bei 66 in den Raum zwischen dem Streckhelfer 61 und dem geformten Bahnteil eingeführt werden.

In Verbindung mit der Erfindung kann kristallines, thermoplastisches Material verschiedenster Art verarbeitet werden.

Vorzugsweise können kristalline Olefine in diesem Verfahren verarbeitet werden. Besonders zweckmäßige Materialien für die Verarbeitung in Verbindung mit der Erfindung können sein:

Polyäthylen (Mitteldruckherstellung) mit Dichte im Bereich zwischen 0,924 und 0,945 (g/cnr), Kristall!t-Schmelztemperatur-Bereich zwischen 115 und 127°C und
Kristallinitat zwischen 65 und 76 %.

Polyäthylen (Niederdruckherstellung) mit Dichte zwischen 0,945 und 0,965 (g/cm³), Kristallit-Schmelztemperatur-Bereich zwischen 127 und

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137°C und Kristallinitat zwischen 75 und 95 %.

Isotaktisches Polypropylen mit Dichte im Bereich zwischen 0,908 und 0,905 (g/cm ), Kristallit-Schmelztemperatur-Bereich zwischen 140 und 17O⁰C und Kristallinitat zwischen 60 und 70 %.

Statistisches Copolymerisat von Äthylen und Propylen. Block-Copolymerisat von Äthylen und Propylen.

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Le e r s e

ite

Claims

2830740 PATENTANWALT DIPL.-PHYS/ HEINRICH SEIDS

62 Wiesbaden - Bierstadter Höhe 15 · F«slfadi 12068 · Telefon (06121) 565382 Postsdiedc Frankfurt'Main ΙβΙΟ 08 - 602 ' Bank Deutsche Bank 395 63 72 · Nass. Sparkasse 108 00 30 65

Bellaplast GmbH Wiesbaden, den 07. Juli 1970

X 194 S/m

Patentansprüche :

r ,
1);Verfahren zum Herstellen dünnwandiger Artikel aus

\^' kristallinem thermoplastischem Material durch Thermoformen in einer Bahn oder Platte aus solchem thermoplastischem Material unter Dickenreduzierung und Anschneiden der Artikel aus der Bahn bzw. Platte, wobei das thermoplastische Material einen kritischen Kristallit-Schmelztemperatur-Bereich aufweist und das Verfahren weiterhin eine T emp eraturkondi tioni erung der Bahn bzw. Platte auf zum Thermoformen geeignete Temperaturbedingungen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturkonditionierung zumindest zwei Stufen einschließt:
a) Entwickeln durch Heizen und bzw. oder Kühlen eines vorläufigen Temperaturprofils über die Dicke der Bahn bzw. Platte, bei dem das Material im Kernbereich der Bahn bzw. Platte auf eina?Temperatur ist, die dicht bei, aber unterhalb des kritischen Kristall!t-Schmelztemperatur-Bereiches liegt, und das Material in den Oberflächenregionen der Bahn bzw. Platte niedrigere Temperatur als das Material des Kernbereiches hat, ggf. eine solche Temperatur,

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bei der das kristalline thermoplastische Material der Oberflächenregionen verfestigt und daher nicht mehr leicht dehnbar ist, und

b) Entwickeln des endgültigen Temperaturprofils für den Thermofοrmungsschritt durch Aufwärmen der Oberflächenregionen der Bahn bzw. Platte auf Temperaturbedingungen, bei denen das kristalline thermoplastische Material der Oberflächenregionen zumindest elastisch verformbar wird, während das Material des Kernbereiches in einem elastisch verformbaren Zustand auf einer Temperatur dicht bei, aber unterhalb des kritischen Kristallit-Schmelztemperatur-Bereiches gehalten wird.
2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, laß beim Entwickeln des endgültigen Temperaturprofils zumindest eine der Oberflächenregionen der Bahn bzw.

auf
Platte/eine Temperatur aufgewärmt wird, die dicht bei, aber unterhalb des Kristallit-Schmelzpunktes T« des Materials liegt.
3) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Entwickeln des endgültigen Temperaturprofils zumindest eine der Oberflächenregionen der Bahn bzw. Platte auf eine Temperatur aufgewärmt wird, die ober-

halb des Kristallit-Schmelzpunktes T^ liegt und bei j

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der das Material plastisch verformbar ist.
4) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Entwickeln des vorläufigen Temperaturprofils einschließt:

Aufheizen durch äußere Einwirkung an einer Bahn bzw. Platte aus kristallinem thermoplastischem Material derart, daß das Material im Kernbereich eine Temperatur dicht bei, aber niedriger als die untere Grenze T_c de^kritisehen Kristallit-Schmelztemperatur-Bereiches erreicht, wenngleich die äußeren Oberflächenregionen der Bahn bzw. Platte Temperaturen innerhalb oder oberhalb des kritischen Kristallit-Schmelztemperatur-Bereiches annehmen können, und
sehr rasches Abkühlen dieser Oberflächenregionen der Bahn bzw. Platte auf eine Temperatur unterhalb derjenigen des Materials im Kernbereich unter wesentlicher Steuerung des Kristallwachstums im Material der

Oberflächenregionen.
5) Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die ununterbrochene Folge von Schritten:

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a) Extrudieren der Bahn aus thermoplastischem Material bei einer Temperatur oberhalb des Kristallit-Schmelztemperatur-Bereiches des Materials;

b) im wesentlichen unmittelbares, sehr rasches Vorkühlen der gegenüberliegenden Oberfläche der Bahn derart und soweit, daß das Material der Kern schicht auf eine Temperatur dicht bei, aber unter halb des kritischen Kristallit-Schmelztemperatur-Bereiches unter vorherbestimmter, für Steuerung des Kristallwachstums im Material der Oberflächenre gionen und der Kernschicht geeigneter Kühlgeschwindigkeit abgekühlt wird, wenngleich dabei die Oberflächenregionen der Bahn auf eine Temperatur gekühlt werden können, bei der ihr kristallines thermoplastisches Material verfestigt und nicht mehr thermoformbar ist;

c) Zulassen eines Aufwärmens der Oberflächenregionen der Bahn durch Wärmeleitung von Kernbereich her und Zugabe einer ausreichenden Wärmemenge durch äußere Einwirkung, derart, daß die Oberflächenregionen elastisch verformbaren Zustand bei einer Temperatur dicht bei, aber unterhalb des kritischen Kristallit-Schmelztemperatur-Bereiches annehmen und

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d) anschließendes Thermoformen und sehr rasches Abkühlen der Bahn unter Formen des gewünschten Artikeln im wesentlichen Steuern des Kristallwachstums im Material während des Thermoformens.
6) Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das sehr rasche Vorkühlen der gegenüberliegenden Oberfläche der Bahn derart ausgeführt wird, daß weiteres Kristallwachstum in den Oberflächenregionen der Bahn im wesentlichen vermieden wird.
7) Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das sehr rasche Vorkühlen der gegenüberliegenden Oberflächen der Bahn derart ausgeführt wird, daß weiteres Kristallwachstum sowohl in den Oberflächenregionen als auch im Kernbereich der Bahn im wesentliehen vermieden wird.
8) Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das sehr rasche Vorkühlen der gegenüberliegenden Oberflächen der Bahn durch Berührung der Bahnoberflächen mit flüssigem, auf vorbestimmter Temperatur gehaltenem Küu medium erfolgt.

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9) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahn bzw. Platte zum Thermoformen der Wirkung eines Formwerkzeugs unterworfen wird, bei der der Kernbereich der Bahn bzw. Platte durch elastisehe Verformung unter Reckung geformt und durch das endgültige Kühlen der Artikelwand stabilisiert wird, während das aufgewärmte Material der Außenregionen in plastifiziertem, fließfähigem Zustand über dem Kernbereich verteilt und plastisch verformt wird unter Bildung von Außenschichten der Artikelwand, die frei von Kristallorientierung sind.
10) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das kristalline thermoplastische Material ein isotaktisches Polypropylen mit Kristallit-Schmelztemperatur-Bereich zwischen 16O°C und 168°C ist, wobei die Extrudiertemperatur im Bereich zwischen 220⁰C und 270⁰C gewählt wird und die Bahn oder Platte mit Kerntemperatur im Bereich zwischen 13O°C und 16O⁰C und einer Temperatur an den Oberflächenregionen im Bereich zwischen 140⁰C und 168°C in den Thermoformungsschritt eingeführt wird.

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EHpL-Fhye. Heinrich Selds · Patentanwalt · Bierstadter Höhe 15 · Postfach 5105 · 6200 Wiesbaden 1 · & (o 61 21) 56 53
11) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das kristalline thermoplastische Material ein isotaktisches Polypropylen mit Kristallit-Schmelztemperatur-Bereich zwischen 16O°C und 168°C ist, wobei die Extrudiertemperatur im Bereich zwischen 220°C und 270°C gewählt wird und die Bahn oder Platte mit Kerntemperatur im Bereich zwischen 130⁰C und 160°C, einer Temperatur an der einen Oberflächenregion im Bereich zwischen 140⁰C und 168⁰C und einer Temperatur an der anderen Oberflächenregion im Bereich zwischen 168°C und 270⁰C in den Thermoformungsschritt eingeführt wird.
12) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das kristalline thermoplastische Material ein isotaktisches Polypropylen mit Kristall!t-Schmelztemperatur-Bereich zwischen 160°C und 168⁰C ist, wobei die Extrudiertemperatur im Bereich zwischen 220⁰C und 270⁰C gewählt wird und die Bahn oder Platte mit Kerntemperatur im Bereich zwischen 130°C und 1A0°C und einer Temperatur an den Oberflächenregionen im Bereich zwischen 168°C und 270⁰C in den Thermoformungsschritt eingeführt wird.

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Dipl.-Phy«. Heinrich Seids · Patentanwalt · Bierstadter Höhe 15 ■ Postfach 5105 ■ 6200 Wiesbaden ι · Q? (o 612t) 56 53
13) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das kristalline thermoplastische Material unter Niederdruck hergestelltes Polyäthylen mit Dichte zwischen 0,945 und 0,965 g/cnr⁵ und einer Kristallinitat von 75 bis 95 So sowie einem Kristallit-Schmelztemperatur-Bereich zwischen 130⁰C und 135°C ist.
14) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das kristalline thermoplastische Material ein statisches Copolymerisat von Äthylen und Propylen ist.
15) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das kristalline thermoplastische Material ein Block-Copolymerisat von Äthylen und Propylen ist.
16) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlen der beim Thermoformen unter Dickenre-. duzierung gebildeten Artikelwand an eine Oberfläche in Berührung mit der gekühlten Werkzeugfläche und an der anderen Oberfläche durch ein mit dieser Wandoberfläche in Berührung gebrachtes gasförmiges, flüssiges oder feinteiliges Kühlmittel erfolgt.

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Dipl.-Phys. Heinrich Selds · Patentanwalt · Bierstadter Höhe 15 ■ Postfadi 5105 · 6200 Wiesbaden α · ® (ο 612i) 56 53 82
17) Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß als feinteiliges Kühlmittel pulverförmiges Trockeneis benutzt wird.

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