DE3203336C2 - Verfahren zum Umformen eines becherförmigen Behälters - Google Patents

Abstract

Zur Verformung von thermoplastischer Kunststoffolie wird diese durch Ultraschallwirkung erwärmt. Dies gelingt dadurch, daß die Folie in Anlage an einem Ultraschallwerkzeug einer scharfen Umlenkung unterworfen wird. Diese kann durch Stauchung an einer Werkzeugoberfläche oder durch Ziehen der Folie über eine Werkzeugkante vollzogen werden. Dies kann bei einer ausgespannten Folienfläche durch Bewegung eines Formstempels in kleinem Winkel gegen die Folienfläche erreicht werden. Das Verfahren eignet sich besonders zur Verformung von Schaumthermoplastfolie, beispielsweise zur Bildung einer umlaufenden Stapelkante im konischen Mantel eines Becherbehälters.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umformen eines becherförmigen Behälters aus einer thermoplastischen Kunststoffolie, bei dem an einem Abschnitt des Behälters mittels eines Formstempels eine Stufe geformt wird.

Bei einem derartigen bekannten Verfahren wird das Umformen im warmen Zustand der Folie durchgeführt (US-PS 35 09 246, AT-PS 3 12 273), wobei der Formstempel eine Temperatur aufweist, die der verformten Folie die Erstarrung in der ihr erteilten Gestalt gestattet. Wegen des besonderen Erwärmungsschritts vor dem Umformen ist dieses Verfahren umständlich anzuwenden, wenn lediglich kleine Formänderungen vorgenommen werden sollen. Ferner kann dieses Verfahren auf Schwierigkeiten bei einer Schaumthermoplastfolie stoßen, weil deren geringe Wärmeleitfähigkeit bei rascher Erwärmung leicht zu einer Oberflächenüberhitzung und damit zu einer Störung der Oberflächenqualität führt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das keine vorherige Erwärmung des umzuformenden Folienbereichs verlangt und bei dem die Wärme ohne Störung der Oberflächenqualität zugeführt werden kann.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß das Formen der Stufe, ausgehend vom kalten Zustand des Behälterabschnittes, unter Beaufschlagen des Formstempels mit Ultraschall erfolgt, wobei der am Mantel des Behälters angeordnete Abschnitt während des Formens unter einem kleinen Winkel gegenüber der Bewegungsrichtung des Formstempels auf dessen Stirnfläche auftrifft und an der Auftreffstelle scharf umgelenkt wird.

Es ist zwar an sich bekannt, einen Formstempel (und zwar den Vorziehstemnel) einer Maschine zum Tiefziehen von heißplastischen Kunststoffolien mit Einrichtungen zur Erzeugung von Ultraschall zu versehen. Diese Maßnahme ist aber für sich isoliert nicht Gegenstand des Patentbegehrens. Sie ist vielmehr im Zusammenhang mit dem weiteren Merkmal der besonderen Umlenkung der Folie zu sehen. Bei der vorbekannten Maschine soll auch ein anderes Ziel durch die Ultraschallbeaufschlagung erreicht werden, nämlich eine Verminderung der Reibung (DE-OS 28 13 042).

Auch bei Schweißverfahren ist die Erhitzung einer Folie durch Ultraschalleinwirkung an sich bekannt Dabei muß das Material gepreßt werden, damit sich die für die Erwärmung verantwortliche Molekularreibung einstellt An dieser Pressung fehlt es bei Formungsverfahrta, weil auf der vom Formstempel abgewandten Seite der Folie ein leerer Raum vorhanden sein muß, in den hinein die Folie verformt werden kann. Die Folie liegt daher nur unter ihrer geringen Eigenspannung an dem

ίο Formstempel an, was bei einer Ausgestaltung desselben als Sonotrode nach bisheriger Kenntnis zur Wärmeerzeugung in der Folie nicht ausreicht

Die Erfindung beruht demgegenüber auf der Erkenntnis, daß bei einer ganz bestimmten Art der Verformung, bei welcher nämlich die Folie an der Sonotrode durch eine scharfe Umlenkung geführt wird, die Ultraschalleinwirkung im Umlenkungsbereich zu einer Erwärmung innerhalb der Folie führt Es kann vermutet werden, daß dafür nicht nur der erhöhte Druck maßgebend ist, mit dem die Folie an der Umlenkungsstelle im Vergleich zu den übrigen Kontaktflächen am Formstempel anliegt sondern daß es auch auf die Walkung ankommt der das Material bei der Umlenkung ausgesetzt ist und die durch die Ultraschallbeanspruchung ermöglicht und intensiviert wird.

Zur Herbeiführung dieses Effekts genügt schon ein verhältnismäßig kleiner Umlenkungswinkel; ein größerer Uml^nkungswinkel beispielswiese in der Größenordnung von 90° wird jedoch bevorzugt Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Umlenkungsradius sehr klein ist Wie groß er in diesem gegebenen Fall maximal sein darf, läßt sich durch Versuch leicht feststellen. Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, wenn er (gemessen an der Umlenkungsinnenfläche) nicht wesentlich größer als die zweifache Foliendicke ist. Je geringer die Verformungsgeschwindigkeit ist, um so kleiner darf der Umlenkungswinkel und um so größer darf der Umlenkungsradius sein.
Auch bei den vorbekannten Verfahren werden Knikke im Material erzeugt. Die besondere Art der Umlenkung, wie sie beim erfindungsgemäßen Verfahren vorgenommen wird, tritt aber nicht auf; die besondere erfindungsgemäße Wirkung kann daher nicht auftreten.
Bei dem Verfahren bewegt man den Formstempel in einem kleinen Winkel gegen die ausgespannte Folienfläche. Dabei trifft zunächst die Kante des Formstempels auf die Folie, die bei fortschreitender Stempelbewegung über die Stempelkante gezogen wird. Im weiteren Verlauf bildet sich in der Folie vor der Kante eine Art Welle oder Stufe, in deren Verlauf die Folie zunächst auf die Stempelstirnfläche trifft, in der Auflaufstelle in Richtung zur Stempelkante hin umgelenkt wird, bis zur Stempelkante auf der Stempeistirnfläche gleitet und schließlich wieder an der Stempelkante umgelenkt wird. Im Bereich beider Umlenkungen wird die Folie durch die Ultraschalleinwirkung erwärmt. Anschließend, wenn sie die Stempelkante passiert hat, kann sie sich wieder abkühlen, wobei sie beispielsweise durch die Stempelseitenfläche in der angestrebten Form gehalten wird. Dafür ist erforderlich, daß die Stempelseitenfläche parallel zur Stempelbewegungsrichtung verläuft und identisch ist mit der Gestalt, die die Folie erhalten soll.

Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, wenn die Folie in Gestalt einer gekrümmten Fläche gehalten wird, deren Krümmungsachse einen kleinen Winkel mit der Bewegungsrichtung des Formstempels einschließt. Dann kommt nämlich bei der Verformung eine Stauchung oder Dehnung der Folie in Richtung des Krümmungs-

bogens zustande, die zu einer zusätzlichen Zug- oder Druckspannung führt, durch welche die Anlage der Folie an den verformenden Stempelteilen intensiviert wird Dabei ist eine konvexe Gestall der Krümmung (vom Stempel her gesehen) zu bevorzugen.

Das Verfahren wird zur Formung einer in Umfangsrichtung verlaufenden Stufe in dem konischen Mantel eines Becherbehälters, insbesondere aus Schaumthermoplastfolie, verwendet, und zwar in der Weise, daß ein der gewünschten Stufenform entsprechender Formstempel a hsparallel gegen der.: Mantel bewegt wird. Wenn die Stufe ringförmig den gesamten Becherbehälter umlaufen soll, ist der Formstempel als Ring ausgebildet Zweckmäßigerweise wird er vom dünneren Behälterende her von außen gegen den Mantel bewegt, so daß dieser im Bereich der Verformung unter Durchmesserverringerung unter Druckspannung in Umfangsrichtung gesetzt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung eines Ausführungsbeispieles erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt einer Vorrichtung zum Formen einer Stufe an einem Behälter im zurückgezogenen Zustand bzw. im vorgeschobenen Zustand eines Formstempels,

F i g. 2 eine Teildarsteüung des Längsschnittes nach F i g. 1 in größerem Maßstab und

F i g. 3 einen Längsschnitt von zwei mit der Vorrichtung nach F i g. 1 umgeformten Behältern in gestapelter Anordnung in kleinerer Darstellung.

Ein Becherförmiger Behälter 1 weist einen konischen Mantel 2 mit einem Abschnitt mit einer nach innen gerichteten Stufe 3 und mit einem anschließenden zylindrischen Abschnitt 4, der bis zur Bodenkante 5 reicht, auf. Im Bereich des Bodens 7 schließt sich an die Bodenkante 5 ein ebener Ringbereich 6 als Standfläche an, während der mittlere Teil des Bodens 7 aus Gründen der Standfestigkeit und Stabilität ein wenig eingezogen ist. Der Boden 7 besteht aus Schaumpolystyrol. Mantel 2 und Boden 7 mögen ursprünglich gesonderte, miteinander verschweißte Zuschnitte sein, wobei aber die Einzelheiten der Einfachheit halber nicht dargestellt sind.

Zum Formen der Stufe 3 im ursprünglich insgesamt konisch verlaufenden Mantel 2 hat die Vorrichtung (F i g. 1) einen Dorn 8 mit einer konischen Oberfläche 9, auf der die Innenfläche des Mantels 2 eines Behälterrohlings 28 fest aufsitzt Die Stirnfläche des Doms 8 bildet eine Ringfläche 10 zur Abstützung desjenigen Bodenbereichs, der später die ebene Ringfläche 6 zu bilden hat. Der mittlere Bereich 11 der Stirnfläche des Dorns 8 ist entsprechend der Gestalt des Bodens 7 eingezogen.

Koaxial dem Dorn 8 gegenüberstehend befindet sich ein Werkzeug 12. An einer mittleren Führungsstange 13 sitzt ein Bodenprägestempel 14, der ein elektrisches Heizelement 15 enthält und dessen Stirnfläche der angestrebten Bodengestalt des Behälters 1 entspricht Der Bodenprägestempel 14 ist durch nicht gezeigte Mittel in seiner Längsrichtung in die zurückgezogene bzw. in die vorgeschobene Stellung verschiebbar. Er kann gegenüber dem Vorschub gegen nicht dargestellte Federkraft nachgeben und unter Zwischenlage der Bodenfolie des Behälters 1 an der Stirnfläche des Dorns 8 anliegen.

Der Bodenprägestempel 14 ist umgeben von einem Haltering 16, dessen Stirnfläche der Ausdehnung der Ringfläche 10 des Dorns 8 entspricht. Koaxial zur Führungsstange 13 wird er von Federn 17 in Richtung gegen den Dorn 8 gedrängt. Im inaktiven Zustand ist er durch den Bodenprägestempel 15 vom Dorn 8 abgehoben.

Der Haltering 16 ist umgeben von einem ringförmig ausgebildeten Formstempel 18, der durch nicht dargestellte Mittel aus zurückgezogenen Ruhestellung in die vorgeschobene Stellung (Fig. 1) bewegt werden kann. Seine Stirnfläche 19 erreicht ic der vorgeschobenen Stellung unter nachgiebiger Federkraft unter Zwischenlage des Behältermaterials eine Stufe 20 des Dorns 8, die zur Stirnseite des Dorns 8 hin von einer Zylinderfläche 21 begrenzt ist, deren Durchmesser um etwas mehr als die zweifache Materialdicke des Mantels 2 geringer ist als der Innendurchmesser des Fonnstempels 18.

Zum Formen der Stufe 3 wird das Werkzeug 12 gegen den Dorn 8 gefahren, wobei sich zunächst die Stirnfläche des Halterings 16 im Bereich der Ringfläche 10 des Dorns 8 auf den Boden des Behälterrohlings 28 aufsetzt und diesen unverrückbar festhält Der weitere Vorschub des Bodenprägesteinpels 14 läßt diesen in seine vorgeschobene Stellung gelangen (F i g. 1 rechts), in welcher der Boden 7 unter dem Einfluß der vom Bodenprägestempel 14 ausgehenden Wärme bleibend verformt wird.

Der Formstempel 18 verformt beim weiteren Vorschub den Rand des Mantels 2. Wenn der als Sonotrode ausgebildete, d. h. Ultraschallschwingungen vollführende Formstempel 18 in Pfeilrichtung parallel zu der Längsachse des Behälters 1 vorgeschoben wird, stößt seine Kante 24 gegen die Folie. An der Berührungsstelle tritt eine kräftige F.ächcr.prcssung zwischen Folienmaterial und Kante 24 auf, weil die Folie ihrer Umfangsstauchung Widerstand entgegensetzt Beim weiteren Vorschub des Formstempels 18 gleitet die Folie über die Kante 24, wobei sie sich zunehmend an die Stirnfläche 19 des Formstempels 18 anlegt. Dabei durchläuft sie zwei gegensinnige Krümmungen. Erstens läuft sie im Bereich 25 quer auf die Stirnfläche 19 des Formstempels 18 auf, d. h. ihre Flächenerstreckung verläuft quer zu derjenigen der Stirnfläche 19. Sie gleitet dann im Bereich der sich bildenden Stufe 3 an der Stirnfläche 19 entlang, um bei 26 im Bereich der Kante 24 die zweite Umlenkung zu erfahren. Im Bereich beider Umlenkungen herrscht eine kräftige Pressung zwischen der Folie und dem Formstempel 18, so daß die Ultraschallschwingungen auf die Folie übertragen werden. Dabei verschwindet als Wirkung des Ultraschalls die Reibung zwischen der Folie und dem Formstempel 18 nahezu völlig. Nach dem Passieren der Kante 24 hat die Folie die zylindrische Gestalt des Abschnitts 4, in welcher sie unter Führung an der Innenfläche 27 des Formstempels 18 erstarren kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnurgen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Umformen eines becherförmigen Behälters aus einer thermoplastischen Kunststoffolie, bei dem an einem Abschnitt des Behälters mittels eines Formstempels eine Stufe geformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Formen der Stufe, ausgehend vom kalten Zustand des Behälterabschnittes, unter Beaufschlagen des Formstempels mit Ultraschall erfolgt, wobei der am Mantel des Behälters angeordnete Abschnitt während des Formens unter einem kleinen Winkel gegenüber der Bewegungsrichtung des Formstempels auf dessen Stirnfläche auftrifft und an der Auftreffstelle scharf umgelenkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das Umlenken des Abschnittes mittels des ringförmig ausgebildeten, den Mantel von außen umgebenden Formstempels nach innen erfolgt