Verfahren zum Streckblasen und Erwärmungsstrecke
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Streckblasen von PET- Behältern (insbesondere Getränkeflaschen) nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Erwärmungsstrecke einer entsprechenden Streckblasanlage.
Getränkeflaschen aus streckgeblasenem PET { Polyethylentereph- thalat) bilden einen großen und expandierenden Teilmarkt des Marktes der Getränkeverpackungen. Diese Marktstellung haben sie wesentlich dank ihrer sehr guten Gebrauchseigenschaften - ins- besondere des extrem geringen Leergewichts im Verhältnis zum
Füllvolumen - und der leichten und kostengünstigen Herstellbarkeit erreicht. Es gibt eine Mehrzahl großer Anbieter, die in hartem Wettbewerb zueinander stehen und daher einem starken Kostendruck ausgesetzt sind. Dieser zwingt zur immer weiter fort- schreitenden Rationalisierung des Herstellungsverfahrens. Im
Vordergrund hierbei stehen verkürzte Maschinenzykluszeiten und Energieeinsparungen .
Die Herstellung von PBT-Flaschen erfolgt in einem zweistufigen Prozeß. Zunächst werden durch Spritzgießen aus einer PET-Masse Vorformlinge, die sogenannten Preforms, hergestellt. In einem zweiten Arbeitsgang werden diese Preforms in einer relativ kurzen Zeitspanne auf eine Verstrecktemperatur von etwa 110 °C erwärmt, und schließlich werden sie im erwärmten Zustand einer Streckblasform zugeführt, in der schließlich unter Zuführung von Druckluft ins Innere der Preform der Behälter (die Flasche) ausgeformt wird.
Es ist bekannt und heute üblich, zur Durchwärmung der Preforms Erwärmungsstrecken einzusetzen, die mit Infrarotstrahlern ausgerüstet sind und von den Preforms durchlaufen werden. Weiterhin ist der Einsatz von langgestreckten Halogenlampen mit einer
Strahlungscharakteristik bekannt, die einen wesentlichen Wirkanteil im Bereich des nahen Infrarot hat. Diese Verfahren und Anordnungen sind dem Einsatz mittel- und langwelliger Infrarotstrahlung insofern überlegen, als daß schwerpunktmäßig im nahen Infrarot liegende Strahlungsspektrum in vorteilhafter Weise auf die Transmissionscharakteristik von Kunststoffen allgemein und PET speziell angepaßt ist.
Dieser Umstand wird durch die grafische Darstellung in Fig. 1 verdeutlicht. Hier ist auf der X-Achse die Strahlungs-Wellenlänge und auf der Y-Achse der Transmissionsgrad (für die Transmissionskurven) bzw. die normierte spektrale Strahlungsverteilung (für die verschiedenen Strahlungsspektren) aufgetragen. Die stark durchgezogene Linie bezeichnet schematisch das typi- sehe Transmissionsverhalten von Kunststoffen und die strichpunktierte Linie das Transmissionsspektrum von PET, während die dünn durchgezogenen und mit den Ziffern 1, 2 und 3 bezeichneten Linien das Strahlungsspektrum eines mittelwelligen Infrarotheizers (1), eines kurzwelligen Infrarotheizers (2) bzw. eines im nahen Infrarot emittierenden Strahlers (3) bezeichnen.
Nach den Erkenntnissen der Erfinder arbeiten jedoch die bekannten Erwärmungsverfahren und -strecken, die Halogenlampen als Strahlungsquellen einsetzen, sowohl energetisch als auch mit Blick auf die Weiterverarbeitungseigenschaften der Preforms noch nicht optimal.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Streckblasen der gattungsgemäßen Art sowie eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Erwärmungs¬ strecke anzugeben, welche insbesondere einen insgesamt effizienteren Anlagenaufbau und -betrieb ermöglichen.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich ihres Verfahrensaspektes durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsieht-
lieh ihres Vorrichtungsaspektes durch eine Erwärmungsstrecke mit den Merkmalen der Ansprüche 4, 5 oder 6 gelöst.
Die Erfindung schließt gemäß einem ersten Verfahrensaspekt den wesentlichen Gedanken ein, mit der nahen Infrarotstrahlung eine möglichst gleichmäßige Durchwärmung der Wandung der Preforms, d. h. einen möglichst kleinen Temperaturgradienten zwischen der Außen- und der Innenoberfläche, zu realisieren. Eine derart erwärmte Preform läßt sich nach Erkenntnissen der Erfindung be- sonders leicht, insbesondere mit deutlich reduziertem Blasdruck, weiterverarbeiten. Dies wiederum ermöglicht erhebliche Energieeinsparungen im eigentlichen Ausformschritt sowie eine schwächere Dimensionierung der Druckluftaggregate und Streckblasformen und damit erhebliche Kosteneinsparungen bei der An- lagenherstellung .
Bei bekannten Streckblasanlagen sind mehrere Aufheizabschnitte und dazwischen angeordnete Ausgleichsabschnitte vorgesehen, so daß insgesamt eine mehrstufige Heiz-/Ausgleich~Kurve gefahren wird, wie sie in Fig. 3 in Form von zwei punktierten Linien skizziert ist, die die Temperaturen auf der Außen- bzw. Innenwandung einer Preform in Abhängigkeit von der Zeit zeigen. Es ist zu erkennen, daß sich im Verlaufe dieser Heiz- und Ausgleichsschritte die anfänglich sehr großen Temperaturdifferen- zen zwischen Außen- und Innenwandung aneinander angleichen - was allerdings neben dem erwähnten Vorsehen entsprechender Heiz- und Ausgleichsbereiche, das einen entsprechend großvolu- migen Aufbau der Erwärmungsstrecke nach sich zieht, auch eine lange Zeitdauer der Erwärmungsphase erfordert. Dieses Vorgehen ist also sowohl wegen des aufwendigen Äufbaus der Erwärmungsstrecke als auch wegen der langen Zykluszeiten nachteilig. Anhand der durchgezogenen Linien im linken Bereich der Grafik ist zu erkennen, daß das hier vorgeschlagene Verfahren in diesen Aspekten ganz wesentliche Vorteile erbringt.
Zur weiteren Illustration des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf Fig. 2 hingewiesen, in der die Temperaturverteilung auf der Außen- bzw. Innenwandung einer Spritzguß-Preform für eine 2 1- PET-Flasche über die Hohe der Preform aufgetragen ist. Es ist zu erkennen, daß mit der Ausführung der Erfindung praktisch über die gesamte Höhe der Preform ein Temperaturgradient von weniger als 4 K erreicht wurde. (Die größere Abweichung nahe der Höhe Null ist hierbei außer Betracht zu lassen, denn nahe des Fußpunktes sollen die Preforms „kalt" bleiben.)
In einer bevorzugten Verfahrensführung wird ein energetischer Gesamtwirkungsgrad des Erwärmungsschrittes von über 15 %, in besonders vorteilhafter Ausführung von über 18 %, realisiert. Dies ist zum einen auf die hohe Effizienz des Energieeintrags der NIR-Strahlung in die Preform-Wandungen bei geeigneter Auslegung der Bestrahlungseinrichtung und zum anderen auf die Verkürzung der Erwärmungsstrecke und den Fortfall der erwähnten Ausgleichsabschnitte mit aktiver Luftzuführung zurückzuführen, in denen natürlich bei konventioneller Ausführung ein erhebli- eher Anteil der Prozeßwärme nutzlos ausgetragen wird.
Die erfindungsgemäße konstruktive Ausführung der Erwärmungsstrecke sieht gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung einen aktiv gekühlten Gegenreflektor vor, der bevorzugt in geringem Ab- stand zu den Preforms angeordnet ist. Im Unterschied zu den herkömmlich eingesetzten Keramikreflektoren ohne aktive Kühlung bewirkt der gekühlte Reflektor keine Verschiebung des Strahlungsspektrums zum langwelligen Bereich hin und bringt daher die Vorteile der NIR-Strahlung für die Preform-Erwarmung voll zum Tragen. Der geringe Abstand zu den Preformen erhöht zusätzlich die Effizienz des Energieeintrags von der den Halogenlampen abgewandten Seite.
Der Gegenreflektor besteht bevorzugt - wie auch der Hauptreflektor - aus Metall, und die Kühlung erfolgt insbesondere durch ein Kühlluftgebläse.
Gemäß einem weiteren wesentlichen Aspekt der Erfindung bildet die Erwärmungsstrecke einen im wesentlichen geschlossenen Strahlungsraum, so daß die Strahlungsverluste minimiert werden. Dies wird zum einen durch das Vorsehen eines zusätzlichen „Kopfreflektors" erreicht, der den Zwischenraum zwischen der Halogenlampen-Hauptreflektor-Gruppe und dem Gegenreflektor nach oben mit Ausnahme eines Entlüftungsschlitzes im wesentlichen abschließt. Ein weitgehender strahlungstechnischer Abschluß dieses Zwischenraumes nach unten wird durch eine hochreflektierende Ausführung der Preform-Aufnahmen im Fußbereich der Pre- forms bzw. die Anbringung spezieller Reflektoren auf diesen erreicht .
Gemäß einem weiteren wesentlichen Aspekt der Erfindung hat die Wirkoberfläche des Hauptreflektors eine spezielle Geometrie, die einen besonders gleichmäßigen Strahlungseintrag in die Preforms über deren gesamte Höhe - bei gleichzeitig „scharfem" Abschluß des Strahlungsfeldes zu dem möglichst kalt zu haltenden Fußbereich - sichert. Zu diesem Zweck wird eine, bezogen auf die einzelne Halogenlampe, im wesentlichen W-förmige Quer- schnittsgeometrie des Hauptreflektors gewählt, die an sich aus der DE 199 09 542 AI der Anmelderin bekannt ist.
In einer bevorzugten Ausführung einer Erwärmungsstrecke gemäß den vorgenannten Aspekten ist zwischen der Infrarotstrahler- Hauptreflektor-Gruppe und den Preforms eine Quarzglasscheibe angeordnet, die die genannte Baugruppe vom Preform- Förderbereich strömungstechnisch trennt . Hierdurch wird eine von den Halogenlampen ausgehende KonvektionsstrÖmung in Richtung auf die Preforms unterbunden, so daß diese nicht in unkon- trollierter Weise von Heißluft umspült werden, sondern ihre Er-
wärmung im wesentlichen allein (und damit in kontrollierter Weise) durch die Absorption der eingestrahlen NIR-Strahlung erfolgt .
Weiter bevorzugt ist eine aktive Kühlung sowohl des Haupt- als auch des Gegenreflektors, wobei der Hauptreflektor insbesondere eine Wasserkühlung hat. Der Gegenreflektor kann zur Einsparung von Kühlwasser luftgekühlt, für Hochleistungsanwendungen aber ebenfalls mit einer Wasserkühlung versehen sein.
Für bestimmte Anwendungen kann das Vorsehen eines zusätzlichen Linienstrahlers in der Erwärmungsstrecke sinnvoll sein, der auf die Fußbereiche der Preforms gerichtet ist und diese zusätzlich gezielt und lokal eng begrenzt erwärmt. Ein solcher Linien- strahier umfaßt insbesondere eine einzelne langgestreckte Halogenlampe in einem im Querschnitt im wesentlichen teil-ellipti- schen Zusatzreflektor, wobei die Halogenlampe in einem Fokus des elliptischen Reflektorquerschnitts angeordnet und die Baugruppe so plaziert ist, daß die Fußbereiche (während ihres Transportes durch die Erwärmungsstrecke routierenden) Preforms sich durch den zweiten Brennpunkt des Ellipsenquerschnitts drehen.
Bevorzugt ist weiterhin eine Ausführung des Haupt- und/oder Ge- genreflektors aus massivem Aluminiumprofilen, die aufgrund ihrer guten Reflexionseigenschaften und hohen Wärmekapazität zu einem besonders homogenen Strahlungs- und Temperaturfeld beitragen und zudem in kostengünstiger Weise die flexible Realisierung unterschiedlicher Erwärmungsstrecken-Konfigurationen ermöglichen. Hergestellt werden die Profile insbesondere als Strangpreß- oder Spritzgußprofile, gegebenenfalls auch durch Fräsen. Zur einfachen Realisierung einer aktiven Kühlung sind in die Profile insbesondere Kühlfluid-Strömungskanäle einge¬ formt. Eine analoge Ausbildung ist auch beim Zusatzreflektor des oben erwähnten Linienstrahlers sinnvoll.
Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im übrigen aus den Unteransprüchen sowie Ausführungsbeispielen, die nachfolgend anhand der Figuren beschrieben werden. Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 eine grafische Darstellung zum spektralen Transmissionsvermögen von Kunststoffen im Vergleich zur spektralen Emission verschiedener Infrarotstrahler,
Fig. 2 eine grafische Darstellung des Temperaturprofils in PET-Preforms,
Fig. 3 eine grafische Darstellung der Zeitabhängigkeit der Temperatur in PET-Preforms bei einem herkömmlichen und einem erfindungsgemäßen Erwärmungsverfahren,
Fig. 4 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Erwärmungsstrecke einer Streckblasanlage gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung (als schematische Querschnittsdarstellung) und
Fig. 5 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Erwärmungsstrecke einer Streckblasanlage gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung (als schematische Teil-Querschnittsdarstellung) .
Bezüglich der Figuren 1 bis 3 wird auf die Ausführungen weiter oben hingewiesen.
Fig. 4 zeigt in einer vereinfachten, schematischen Querschnittsdarstellung eine Erwärmungsstrecke 1 zur Erwärmung von Spπtzguß-Preforms (für die typische Umrisse in der Figur mit strichpunktierten Linien dargestellt sind, die mit Pl und P2 bezeichnet sind) als Bestandteil einer Streckblasanlage zur
Herstellung von PET-Flaschen . Die Preforms werden auf einer Aufnahme 3 einem im wesentlichen geschlossenen Strahlungsraum 5 zugeführt. Dieser ist auf einer Seite begrenzt durch eine Quarzglasscheibe 7 und auf der anderen Seite durch einen massi- ven Aluminium-Gegenreflektor 9, der die durch die Quarzglasscheibe 7 hindurchtretende Strahlung einer (weiter unten beschriebenen) Strahlungsquelle von der der Strahlungsquelle gegenüberliegenden Seite auf die Preforms zurückwirft.
Oberhalb der Preforms ist ein metallischer Kopf eflektor 11 mit zur Quarzglasscheibe 7 schräggestellter Reflexionsfläche vorgesehen, der die Oberseite des Strahlungsraumes 5 bis auf einen Entlüftungsspalt 13 abschließt. Die Preform-Aufnahmen 3, die die Preformen durch den Strahlungsraum 5 hindurchtragen, haben einen hochreflektierend ausgeführten Oberflächenbereich 3a um die Außenkontur der Preformen herum. Die bei einer Mehrzahl von durchlaufenden Haltern gewissermaßen aneinandergereihten reflektierenden Oberflächenbereiche 3a bilden einen unteren Abschluß des Strahlungsraumes 5.
Dessen zweitem seitlicher Abschluß (der Quarzglasscheibe 7) benachbart ist eine Strahlungsquellen-Hauptreflektor-Einheit 15 angeordnet. Diese umfaßt in der hier dargestellten Ausführung drei Hauptreflektormodule 17 mit jeweils drei annähernd W-fÖr- migen Reflexionsflächenbereichen 19 und zwei Kühlwasserkanälen 21 sowie neun langgestreckte Halogen-Glühfadenlampen 23. Die Hauptreflektormodule 17 sind jeweils als Aluminium-Strangpreß- profile mit eingepreßtem Kühlwasserkanal 21 ausgeführt.
Bei der Dimensionierung des Strahlungsraumes kommt es darauf an, daß der Abstand zwischen der Strahlungsquellen-Hauptreflektor-Einheit 15 und den Preformen auf eine möglichst gute Homogenitat des Strahlungsfeldes hin eingestellt wird, während der Abstand zwischen dem Gegenreflektor 9 und den Preformen mög- liehst klein, je nach Durchmesser der Preform insbesondere im
Bereich zwischen 5 und 20 mm, eingestellt wird. Die Leistungsdichte der Strahlungsquellen-Hauptreflektor-Einheit 15 liegt im Bereich zwischen 150 und 300 kW/m2 und die Verweildauer der Preformen in einem Heizfeld der Erwärmungsstrecke zwischen 5 und 10 s. Eine Erwärmungsstrecke kann dabei mehrere Heizfelder der in Fig. 1 gezeigten Art mit einer Länge im Bereich zwischen 100 und 120 cm umfassen, nach Erkenntnissen der Erfinder ist aber für Standardanwendungen ein Heizfeld als ausreichend anzusehen .
Für spezielle Anwendungen ist eine modifizierte Erwärmungsstrecke 1Λ gedacht, wie sie in Fig. 5 gezeigt ist. Diese unterscheidet sich von der ERwärmungsstrecke nach Fig. 4 durch das Vorsehen eines im unteren Bereich des (insoweit modifizierten) Gegenreflektors 9 λ angeordneten sogenannten „Linienstrahlers" 25.
Dieser umfaßt einen massiven, Im Außenquerschnitt rechteckigen und innen teil-elliptisch ausgeformten Zusatzreflektor 27 und eine in dessen einer Brennlinie angeordnete langgestreckte Halogen-Glühfadenlampe 23A mit im wesentlichem gleichen Aufbau wie die in Halogenlampen 23 der Strahlungsquellen-Hauptreflektor-Einheit 15. Der Linienstrahler ist derart geneigt hinter der Ebene des Gegenreflektors angeordnet, daß seine andere Brennlinie auf dem Oberflächenbereich 3a der Preform-Aufnahmen 3, und zwar im nächstgelegenen Abschnitt der Wandungen der Preformen, liegt. Er dient zur zusätzlichen gezielten Erwärmung des Fußbereiches der Preformen, falls dieser durch die Strahlungsquellen-Hauptreflektor-Einheit 15 nicht auf eine ausrei- chende Temperatur gebracht werden sollte.
Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf die oben erläuterten Aspekte und beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern im Rah¬ men der Ansprüche ebenso in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachgemäßen Handelns liegen.
Bezugszeichenliste
1 ; 1 ' Erwärmungsstrecke
3 Preform-Aufnähme
3a hochreflektierender Oberflachenbereich
5 Strahlungsraum
7 Quarzglasscheibe 9 Al-Gegenreflektor
11 Kopfreflektor
13 Entlüftungsspalt
15 Strahlungsquellen-Hauptreflektor-Einheit
17 Hauptreflektormodul 19 Reflexionsflächenbereich
21 Kühlwasserkanal
23; 23A Halogen-Glühfadenlampe
25 Linienstrahler
27 Zusatzreflektor Pl, P2 Umriß einer Preform