DE3823670A1 - Verfahren und vorrichtung zum erwaermen von vorformlingen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum erwaermen von vorformlingen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erwärmen von Vor­ formlingen mit mindestens einer eine Strahlung emittierenden Heizung, deren Strahlung zumindestens auch in Richtung auf den zu erwärmenden Vorformling ausgerichtet ist.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Er­ wärmen von Vorformlingen, die mindestens eine Strahlung emittieren­ de Heizung sowie mindestens eine den Vorformling fixierende Halterung aufweist.
Die Erwärmung von Vorformlingen muß in der Weise vorgenommen werden, daß das zu erwärmende thermoplastische Material warm genug ist, um die gewünschten Verformungen vornehmen zu können, ohne daß deswegen im Material Beschädigungen, beispielsweise Kaltbrüche, auftreten. Andererseits darf das Material auch nicht zu heiß werden, damit innerhalb des Materials vorhandene chemische Bindungen keinen Schaden leiden. Schließlich ist auch dafür zu sorgen, daß das Material gleichmäßig erwärmt wird, damit beim nachfolgenden Vorformungsvorgang alle Teile nur unter einer bestimmten aufgebrachten Kraft einer gleich­ mäßigen Verformung unterliegen.
Zu diesem Zwecke ist bisher ein relativ großer Aufwand betrie­ ben worden. Die zu verformenden Werkstücke wurden erhitzt und für den Fall, daß die Erwärmung in einzelnen Bereichen des zu verformenden Vorformlings zu hohe Temperaturen annahm, an diesen Stellen mehr gekühlt. Bei diesem Verfahren wird mit hohen Wärmeverlusten gearbeitet. Darüber hinaus gelingt trotzdem eine gleichmäßige Erwärmung des Vorformlings nicht. Insbesondere ist nicht gewährleistet, daß eine einen Hohlkörper umgebende Wandung eine Temperaturprofil aufzeigt, das für die Erwärmung besonders günstige Eigenschaften aufweist. Diese sind beispielsweise davon abhängig, daß die Wandung auf ihrer in den Innenraum des Hohlkörpers weisenden Innenseite auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der das Material an seine Fließgrenze kommt. Diese Fließgrenze muß erreicht werden, wenn beispielsweise im Wege des Blas-Streck-Verfahrens der Körper sowohl in seiner Längsachse gestreckt als auch in seiner Querachse durch Aufblasen vergrößert wird. Eine genaue Einhal­ tung dieses Temperaturprofils begünstigt eine fehlerfreie Erzeugung vom im Blas-Streck-Verfahren hergestellter Hohl­ körper.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, das Verfahren der einleitend genannten Art so zu verbessern, daß ein ge­ wünschtes Temperaturprofil in der zu verformenden Wandung genau eingehalten werden kann.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Vor­ formling mit einer seine Wandung in deren Innenbereich mindestens genau so stark wie in in ihrem Außenbereich aufheizenden Strahlung angestrahlt wird.
Durch Auswahl der der richtigen Strahlungsenergie ist es mögl­ lich, innerhalb der aufzuheizenden Wandung das zum Verformen der Wandung benötigte Strahlungsprofil genau einzuhalten. Dabei wird die Strahlung innerhalb der Wandung in deren einzelnen Bereichen so genau in Wärme umgesetzt, daß die Wandung auf ihrer gesamten Länge auf das richtige Maß vorgeheizt wird, ohne daß deswegen an einzelnen Stellen die Wandung eine Wärmeabfuhr notwendig wird. Das Verfahren arbeitet daher mit einer höchstmög­ lichen Nutzung der zur Erwärmung erforderlichen Energie.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Vorformling mit einer seine Wandung in deren Innenbereich stärker als in ihrem Außenbereich aufheizenden Strahlung ange­ strahlt. Diese stärkere Aufheizung des Innenbereichs ist not­ wendig, wenn beispielweise im Wege des Blas-Streck-Verfahrens ein Hohlkörper verformt werden soll. Unter dem Einfluß der in den Hohlkörper eingeleiteten Luft muß die Innenwandung trotzdem so warm bleiben, daß die Fließgrenze des Materials erreicht wird, um eine Beschäding des Materials während des Blas-Streck- Vorgang zu verhindern.
Die bisher benutzten Heizungen waren nicht in der Lage, die Wärme in denjenigen Teilen der Wandungen zu erzeugen, in denen sie zum Zwecke der Durchführung der Verformung, benötigt wurden. Vielmehr entstanden Zonen hoher Erwärmung, die nicht nur der Verformung des Materials schädlich waren, sondern darüber hinaus auch noch zu Materialumwandlungen führten, die die Qualität des hergestellten Gegenstandes erheblich verschlech­ terten.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Vorrichtung der einleitend genannten Art so zu verbes­ sern, daß eine gezielte Energieübertragung zu einer gewünschten Erwärmung der Wandung führt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Heizung als ein Hellstrahler ausgebildet ist.
Mit Hilfe eines Hellstrahlers kann die Qualität der ausge­ sandten Strahlung so bestimmt werden, daß die von ihr erzeugte Erwärmung der Wandung nach einem gewünschten Temperaturprofil erfolgt. Strahlungsanteile, die Wärme in Wandungsteilen er­ zeugen, in denen eine Erwärmung nicht oder nur in einem ge­ ringen Umfang gewünscht ist, werden von dem Hellstrahler nicht abgestrahlt. Überschüssige Wärme entsteht in der Wandung nicht, so daß auch mit einer höchstmöglichen Ausnutzung der von der Heizung abgegebenen Energie gearbeitet werden kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der Heizung und dem zu erwärmenden Vorformling ein Strahlungsanteile selektierender Spektralfilter angeordnet.
Diese Filter hält Strahlungsanteile, die von den Strahlern emittiert werden und zur Erzeugung des gewünschten Temperatur­ profils im Bereich der Wandung des Vorformlings nicht geeignet sind, zurück. Die von dem Strahler emittierte Strahlung enthält erhebliche im mittleren Infrarotbereich angesiedelte Frequenz­ anteile. Insbesondere die langwellige Strahlung wird bereits in einem den Strahlern zugewandten äußeren Bereich der Wandung des Vorformlings in Wärme umgesetzt und erhitzt diese äußeren Bereiche. Soweit diese zu warm werden könnten, werden die langwelligen Anteile der infraroten Strahlung aus­ gefiltert. Zur Erwärmung der inneren Bereiche der Wandung ist hingegen der kurzwellige Frequenzbereich der Strahlung besonders geeignet. Diese Strahlung dringt tief in das zu erwärmende Material ein und durchläuft darüber hinaus aufgrund der frequenz­ abhängigen Brechung im Bereich der Übergänge von Luft zu Kunst­ stoffmaterial einen längeren Weg im Bereich der Wandung als lang­ wellige Strahlung. Im Bereich dieses relativ langen Weges wird die Strahlungsenergie in Wärme umgesetzt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Filter als Glasscheibe ausgebildet. Diese Ausbildung des Filters ermöglicht eine preiswerte Fertigung der Vorrich­ tung. Darüber hinaus ist Glas mit unterschiedlichen opti­ schen Eigenschaften leicht erhältlich. Die Glasscheibe schirmt die Strahler darüber hinaus gegenüber von im Bereich der Vorformlinge vorhandenen Staubpartikeln und sonstigen Verschmutzungen ab. Durch diese Abschirmung der Strahler wird eine Schmutzablagerung in deren Bereich verhindert und hierdurch eine lange Lebensdauer der Strahler gewährleistet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfin­ dung ist im Bereich eines die Strahler aufnehmenden Gehäuses eine Lufteinlaßöffnung sowie eine Luftauslaßöffnung angeord­ net. Mit Hilfe dieser Öffnungen kann die Strahler temperie­ rende Kühlluft in das Innere des Gehäuses geleitet werden. Die Kühlung der Strahler verursacht keinen wesentlichen Energiemehrverbrauch, da die Erwärmung der Vorformlinge überwiegend durch Strahlungsenergie und nicht durch Konvek­ tion erfolgt. Die Kühlung der Strahler erhöht gleichfalls wie die Fernhaltung von Schmutzpartikeln die Strahlerlebens­ dauer.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den Zeichnungen, in denen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beispielsweise veranschaulicht ist. In den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung mit Strah­ lern, die hinter einer Glasscheibe angeordnet sind,
Fig. 2 einen Längsschnitt gemäß Schnittlinie II-II in Fig. 1,
Fig. 3 eine teilweise Darstellung eines Querschnittes durch die Wandung eines Vorformlings mit skizzier­ tem Verlauf eines auftreffenden Lichtstrahles mit unterschiedlichen Frequenzanteilen und
Fig. 4 ein Diagramm der Amplituden-Frequenzverteilung eines Emissionsspektrums mit Kenntlichmachung einer Filterwirkung.
Eine Vorrichtung zum Erwärmen von Vorformlingen (1) besteht im wesentlichen aus einer Heizung (2) und einer den Vorform­ ling (1) fixierenden Halterung (3). Die Heizung (2) besteht aus Strahlern (4), die als Röhrenstrahler (5) ausgebildet sind. Die Röhrenstrahler (5) erstrecken sich mit ihren Längsachsen (6) im wesentlichen in horizontaler Richtung. Es ist aber auch möglich, den Längsachsen (6) beliebige andere Orientierungen zu verleihen. Die Strahler (4) sind in einem Innenraum (7) angeordnet, der von Wandungen (8) bereichs­ weise begrenzt ist. Im Bereich einer Mittellinie (9) der Halterung (3) zugewandten Begrenzung des Innenraumes (7) ist ein Filter (10) angeordnet. Der Filter (10) ist als eine Glasscheibe (11) ausgebildet, die sich im wesentlichen in lotrechter Richtung und parallel zu den Röhrenstrahlern (5) erstreckt. Im Bereich der der Glasscheibe (11) abgewandt angeordneten Ausdehnung der Wandungen (8) ist eine Luftzufuhröffnung (12) vorgesehen. Im Bereich der in lot­ rechter Richtung unteren Ausdehnung der Wandung (8) ist eine Luftaustrittsöffnung (13) vorgesenen. Zwischen den Röhren­ strahlern (5) und der Luftzuführöffnung (12) ist ein Kühlluft filternder Luftfilter (14) vorgesehen.
Die Röhrenstrahler (5) sind über Versorgungsleitungen (15) mit einer elektrischen Energiequelle (16) verbunden.
Die Halterung (3) ist im wesentlichen als sich in einer horizontalen Richtung erstreckender Steg (17) ausgebildet, in dem zur Aufnahme der Vorformlinge (1) vorgesehene Öffnun­ gen (18) angeordnet sind. Die Mittellinie (9) der Halterung (3) erstreckt sich im wesentlichen zentrisch durch die Öffnung (18) und in lotrechter Richtung. Die Halterung (3) begrenzt in lotrechter Richtung oben einen den Vorformling (1) aufneh­ menden Aufnahmeraum (19), der im Bereich seiner den Röhren­ strahlern (5) zugewandten Begrenzung von der Glasscheibe (11) und im Bereich seiner der Glascheibe (11) abgewandten Ausdehnung von einem Reflektor (20) begrenzt ist. Ein Vor­ formling (1) wird in lotrechter Richtung von oben in die Öffnung (18) eingeführt und liegt mit einem Wulst (21), der im Bereich seines in lotrechter Richtung oberen Endes ange­ ordnet ist, auf dem Steg (17) auf. Im Bereich seiner in lotrechter Richtung unteren Ausdehnung ragt der Vorformling (1) in den Aufnahmeraum (19) hinein. Von den Röhrenstrahlern (5) emittierte Strahlung wird im Bereich der Glasscheibe (11) gefiltert und zur Aufheizung des Vorformlings (1) uner­ wünschte Strahlungsanteile werden im Bereich der Glasscheibe (11) in Wärme umgesetzt. Die die Glascheibe (11) passieren­ den Anteile der Strahlung treffen auf eine Wandung (22) des Vorformlings (1) und werden dort mindestens teilweise in Wärmeenergie umgesetzt. Kurzwellige Strahlung dringt weich in das Material der Wandung (22) und durchläuft aufgrund der optischen Brechung einen längeren Weg innerhalb der Wandung (22) als langwellige Anteile, die darüber hinaus weniger tief in das Material eindringen. Durch den Vorformling (1) hindurchtretende Strahlung bzw. nicht auf den Vorformling (1) treffende Strahlung wird im Bereich eines Reflektors (20) zurückgeworfen und trifft im Bereich der der Glas­ scheibe (11) abgewandten Ausdehnung des Vorformlings (1) auf die Wandung (22). Der Reflektor (20) gewährleistet somit eine gleichmäßige Aufheizung des Vorformlings (1) im gesam­ ten Bereich der Ausdehnung dessen Wandung (22).
Durch die Luftzuführöffnung (12) wird kühle Luft in den Innenraum (7) geleitet. Die kühle Luft durchströmt zunächst den Luftfilter (14) und beaufschlagt anschließend die Röh­ renstrahler (5). Die im Bereich der Röhrenstrahler (5) auf­ geheizte Kühlluft wird durch die Luftaustrittsöffnung (13) wieder aus dem Innenraum (7) abgeleitet. Die Kühlluft kann der Luftzuführöffnung (12) über Leitungen zugeführt werden.
Es ist aber auch möglich, im Bereich der Luftzuführöffnung (12) ein Gebläse (23) anzuordnen.
Durch geeignete Auswahl der Strahler (4) wird die Wandung (22) entsprechend einem vorgegebenen Temperaturprofil er­ wärmt. Dieses Temperaturprofil sieht vor, daß die Wandungen (22) in ihrem einander zugewandten Innenbereich (24) stärker aufgeheizt werden als in einem dem Innenbereich (24) gegenüberliegenden Außenbereich (25). Auf diese Weise erreicht das Material im Innenbereich (24) eine Fließgrenze, so daß es sich unter dem Einfluß einer in den Vorformling (1) eingeleiteten Druckluft dehnen kann. Dabei wird die Temperatur im Innenbereich (24) innerhalb sehr enger Grenzen konstant gehalten, um zu verhindern, daß im Material des Innenbereichs (24) Veränderungen stattfinden, die sich auf die Haltbarkeit des zu erzeugenden Hohlkörpers negativ aus­ wirken.
Die Steuerung der von den Strahlern (4) ausgesandten Strahlung erfolgt mit Hilfe genau ausgewählter Gasfüllungen für die Strahler (4) einerseits, durch Festlegung der Quali­ täten des Spektralfilters (10) andererseits und schließlich der Reflektionseigenschaften des Reflektors (20) andererseits. Es ist jedoch auch möglich, allein durch geschickte Auswahl der Strahler (4) das gewünschte Temperaturprofil innerhalb der Wandung (22) zu erzeugen. Dabei wird die Strahlung der Strahler (4) nicht zuletzt dadurch gesteuert, daß der Abstand zwischen den Wandungen (22) einerseits und den Strahlern (4) anderer­ seits genau entsprechend dem gewünschten Temperaturprofil eingerichtet wird. Schließlich ist auch mit Hilfe des Luft­ filters (14) dafür gesorgt, daß die Strahler (4) eine über ihre Betriebszeit möglichst gleichbleibende saubere Oberfläche aufweisen, so daß eine Verschmutzung der Oberfläche, die zu einer Veränderung der ausgesandten Strahlung führen könnte, weitgehend vermieden wird.

Claims (33)

1. Verfahren zum Erwärmen von Vorformlingen mit mindestens einer eine Strahlung emittierenden Heizung, deren Strahlung zumindest auch in Richtung auf den zu erwärmenden Vorform­ ling ausgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Vor­ formling (1) mit einer seine Wandung (22) in deren Innen­ bereich (24) mindestens gleich stark wie in ihrem Außen­ bereich (25) aufheizenden Strahlung angestrahlt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung (22) in ihrem Innenbereich (24) stärker als in ihrem Außenbereich (25) aufgeheizt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorformling (1) einer kurzwelligen Infrarotstrahlung ausgesetzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung vor ihrem Auftreffen auf die Wandung (22) des Vorformlings (1) durch einen Spektralfilter (10) ge­ leitet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß aus der von der Heizung (2) emittierten Strahlung lang­ wellige Strahlungsanteile ausgefiltert werden, bevor die Strahlung auf die Wandung (22) des Vorformlings (1) auf­ trifft.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß die emittierte Strahlung in Richtung auf den Vorformling (1) reflektiert wird und durch die Reflektion der Strahlung die Einhaltung eines gewünschten Wärmeprofils gesteuert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit der auf die Wandung (22) auftreffenden Strahlung der Innenbereich (24) bis an eine vorgegebene Grenze erwärmt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorformling (1) im Innenbereich (24) seiner Wandung (22) bis an die Fließgrenze eines zur Herstellung des Vor­ formlings (1) verwendeten Materials erwärmt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung zur Erhaltung eines in der Wandung (22) erwünschten Temperaturprofils hinsichtlich ihrer Wellenlänge gesteuert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge einer ein bestimmtes Temperaturprofil erzeugenden Strahlung konstant gehalten wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Wellenlänge über einen Mikroprozessor erfolgt.
12. Verfahren nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung von einem Hellstrahler emittiert wird.
13. Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung von einem mit einer vorgegebenen Gasfüllung gefüllten Hellstrahler emittiert wird.
14. Vorrichtung zum Erwärmen von Vorformlingen, die mindestens eine Strahlung emittierende Heizung sowie mindestens eine den Vorformling fixierende Halterung aufweist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Heizung (2) als ein Hellstrahler aus­ gebildet ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Hellstrahler eine eine vorgegebene strahlungssteuernde Steuerung aufweist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Hellstrahler einen eine vorgegebene Strahlung reflek­ tierenden Reflektor aufweist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Heizung (2) und dem Vorformling (1) ein Strahlungsanteile selektierender Spektralfilter (10) angeordnet ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Spektralfilter (10) als Glasscheibe (11) ausgebildet ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Glasscheibe (11) im wesentlichen in lotrechter Richtung erstreckt.
20. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahler (4) als Röhrenstrahler (5) ausgebildet ist, der sich mit einer Längsachse (6) im wesentlichen parallel zu einer von der Glasscheibe (11) aufgespannten Ebene erstreckt.
21. Vorrichtung nach Anspruch 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Röhrenstrahler (5) mit seiner Längsachse (6) im wesentlichen horizontal ausgerichtet ist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Röhrenstrahler (5) in seiner Längsachse (6) im wesentlichen in lotrechter Richtung ausgerichtet ist.
23. Vorrichtung nach Anspruch 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizung (2) in einem Innenraum (7) angeordnet ist, der von Wandungen (8) mindestens bereichsweise begrenzt ist.
24. Vorrichtung nach Anspruch 14 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum (7) gegenüber dem Vorformling (1) von der Glasscheibe (11) begrenzt ist.
25. Vorrichtung nach Anspruch 14 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wandung (8) eine Kühlluft einleitende Luftzuführöff­ nung (12) angeordnet ist.
26. Vorrichtung nach Anspruch 14 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Wandung (8) eine aufgeheizte Kühlluft ab­ leitende Luftaustrittsöffnung (13) vorgesehen ist.
27. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzuführöffnung (12) in einem der Glasscheibe (11) abgewandten Bereich der Wandung (8) angeordnet ist.
28. Vorrichtung nach Anspruch 14 bis 27, dadurch gekennzeich­ net, daß zwischen Heizung (2) und der Luftzuführöffnung (12) ein Kühlluft filternder Luftfilter (14) angeordnet ist.
29. Vorrichtung nach Anspruch 14 bis 28, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Glasscheibe (11) bereichsweise einen den Vor­ formling (1) mindestens bereichsweise aufnehmenden Aufnahme­ raum (19) begrenzt, der im Bereich seiner der Glasscheibe (11) abgewandt angeordneten Ausdehnung einen Reflektor (20) auf­ weist.
30. Vorrichtung nach Anspruch 14 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorformling (1) in einer Halterung (3) befestigt ist, die mindestens eine den Vorformling (1) aufnehmende Öffnung (18) aufweist, durch die sich eine gegenüber der Heizung (2) aus­ gerichtete Mittellinie (9) im wesentlichen in lotrechter Richtung erstreckt.
31, Vorrichtung nach Anspruch 14 bis 30, dadurch gekennzeich­ net, daß die Halterung (3) im wesentlichen als sich in horizon­ taler Richtung erstreckenden Steg (17) ausgebildet ist, der mindestens zwei Öffnungen (18) aufweist, die mit ihren Mittel­ linien (9) eine Ebene aufspannen, die sich im wesentlichen plan­ parallel zur Glasscheibe (11) erstreckt.
32. Vorrichtung nach Anspruch 14 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasscheibe (11) aus einem langwellige Infrarot­ strahlung absorbierenden Material ausgebildet ist.
33. Vorrichtung nach Anspruch 14 bis 32, dadurch gekennzeich­ net, daß die Röhrenstrahler (5) als im kurzwelligen Infra­ rotbereich arbeitende Breitbandstrahler ausgebildet sind.
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