DE19515516A1 - Bodengeometrie von wiederverwendbaren PET-Behältern - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit der Gestaltung von Bodenflächen - in diesem technischen Gebiet "Bodengeometrie" genannt - an Kunststoff-Flaschen, die aus einer Preform (einem spritzguß­ geformten Rohling) in zwei Blasformungen (Einbringen von hohem Druck) geformt werden. Diese Kunststoff-Flaschen sind heiß waschbar, dürfen sich also bei einer Temperatur von oberhalb 60°C oder 75°C von ihrer Geometrie her nicht spürbar verändern. Die genannte Temperatur betrifft die Temperatur der Waschflüssigkeit, bei der die Flaschen thermisch stabil bleiben müssen; geringe geometrische Verformungen, die die mechanische Stabilität oder die Standfestigkeit nicht beeinträchtigen, können toleriert werden.

Zumeist werden die Kunststoff-Flaschen aus PET hergestellt, das in einer oder mehreren Schichten die Flaschenwandung bildet. Im Bodenbereich müssen die Flaschen sicher stehen und stabil gegen inneren Druck sein. Diese Stabilität betrifft die Gebrauchs- Stabilität. Eine andere Stabilität ist oben erwähnt und betrifft die Temperatur-Stabilität beim heißen Waschen der Flasche, also die Voraussetzung der Wiederverwendbarkeit. Eine zusätzliche Eigenschaft kommt nun dem Bodenbereich zu, er muß "inspektionsfähig" sein, womit der Fachmann in diesem technischen Gebiet den uneingeschränkten optischen Einblick in den Bodenbereich in Flaschenachse versteht. Diese Bodeninspektion darf nicht beeinflußt sein von Schatten und anderen Lichtbrechungen, weil dann eine visuelle Kontrolle der leeren Flasche mittels Kamera oder Auge nicht möglich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Bodengeometrie an Kunststoff-Flaschen zur Verfügung zu stellen, die sowohl thermisch stabil ist als auch ohne Schatteneffekte ist, also vollumfänglich inspektionsfähig ist, um Restlauge (von der Reinigung) oder Fremdkörper im Behälter sicher und zuverlässig, also vollumfänglich, erkennen zu können, bevor die Flasche befüllt wird. Die Erfindung möchte dabei hinsichtlich der Inspektionsfähigkeit keine Einschränkungen des Bodendurchmessers in Kauf nehmen, wie das im Stand der Technik z. B. dadurch der Fall ist, daß Flaschen eine nach außen gerichtete, im wesentlichen halbkugelförmige Bodengeometrie erhalten und durch umfängliches Einziehen in einen Kunststoff-Stützring gestellt werden, damit sie eine sichere Aufstandsfläche haben.

Bei dieser Lösung wird die Inspektionsfähigkeit verringert, weil der die radiale Einziehung des Flaschenunterteils verursachende Kunststoff-Standfuß optisch nicht durchlässig ist. Funktionell weist er eine solche Geometrie auf, die - selbst bei seiner optisch durchlässigen Gestaltung - eine schattenfreie, vollumfängliche Inspektion durch den Boden im Leerzustand nicht erlauben würde.

Die vorgenannte Aufgabe löst die Erfindung dreigestaltig, namentlich durch die Verwendung eines kegelstumpfförmigen Bodeneinsatzes (Anspruch 1) oder durch ein Herstellverfahren, bei dem eine Preform in einer ersten Blasformung einen kegelstumpfförmigen Flaschenboden erhält, der nach Herausnehmen einen wellenförmigen Querschnitt aufweist (Anspruch 9) oder mit einer Vorrichtung zur Durchführung des erwähnten Verfahrens, in der ein Kegelstumpf-Boden in einer ersten Blasform vorgesehen ist und eine zweite Blasform einen im wesentlichen kuppelförmigen Boden aufweist (Anspruch 11).

Der im wesentlichen kuppelförmige Boden des Anspruchs 11 ist von der Form her an die Bodengeometrie der aus der ersten Blasform herausgenommenen Flasche angepaßt (Anspruch 16), so daß in der zweiten Blasformung der Boden sich nur noch unwesentlich in seiner Geometrie verändert, lediglich in seinen grundsätzlich schon vorhandenen Formen verdeutlicht wird. Identität der Form heißt aber nicht Dimensionsidentität (von den Maßen her), sondern Gestaltungsidentität (relativer Ort der Teil-Formen und die Teil-Formen selbst).

Die grundsätzliche Architektur erhält der Boden nach dem Abnehmen vom kegelstumpfförmigen Bodeneinsatz bzw. nach dem Schrumpfen, der ein Ablösen von diesem Einsatz bewirkt. Überraschend hat sich dabei herausgestellt, daß die sich nach dem Abnehmen oder Schrumpfen ergebende Wellen-Struktur in der Bodenarchitektur schon die Bodengestaltung ist, die volle optische Inspektion ohne Schattenbildung bei gleichzeitiger Temperaturstabilität erlaubt. Diese Bodengeometrie ist im Querschnitt wellenförmig, hat also eine zum Flascheninneren gerichtete erste Krümmung r′, die im wesentlichen kugelsegment­ förmig ist, und eine zweite, nach auswärts gerichtete Krümmung r′′, die sich an die erste Krümmung r′ anschließt.

Radial außerhalb der ersten Krümmung ist der Boden-Aufstandsring ausgebildet, auf dem die Flasche sicher stehen kann.

Der überraschende Effekt der Erfindung wird damit begründet, daß ein "Memory-Effekt" in dem linearen Bereich des Bodens genutzt wird, welcher den Boden nach Entfernen des ihn stützenden Kegelstumpfs selbsttätig wellenförmig ausbildet, wobei der Boden im wesentlichen eigen-spannungsfrei wird.

In einer zweiten Blasformung kann dieser schon wellenförmig ausgebildete Boden noch verdeutlicht werden, wenn er auf einem zweiten Blasform-Einsatz erneut blasgeformt wird. Dieser Blasform-Einsatz hat dabei die im wesentlichen selbe Gestaltung, wie der Boden, der sich nach dem ersten Blasformen und dem Abnehmen von dem Kegelstumpf-Einsatz bildet, so daß nur noch geringe Verformungen auftreten (Anspruch 16). Eine davon kann eine gewölbt ausgebildete Kuppel sein, die dem oberen Plateaubereich des Kegelstumpfes (Anspruch 8) - abgebildet im Flaschenboden - entspricht (Anspruch 17, 7).

Zwischen den beiden Krümmungen des sich nach der ersten Blasformung ergebenden Bodens befindet sich ein Wendepunkt, der erkennbar nach innen verschoben ist, woraus sich ergibt, daß die erste (äußere) Krümmung deutlicher ausgeprägt ist als die zweite (innere) Krümmung der Bodengeometrie. Entsprechend ist auch der zweite Bodeneinsatz ausgebildet, wohingegen der erste Bodeneinsatz mit seiner Mantelfläche für die erste Blasformung im wesentlichen linear (oder: eben) gestaltet ist.

Der Winkel, unter dem sich der Kegelstumpf mit seiner Mantelfläche erstreckt, kann zwischen 40° und 70° liegen, vorteilhaft verläuft er unter 60° (Anspruch 4, 5).

Der kegelstumpfförmige Boden der ersten Blasform kann als Einsatz gestaltet sein (Anspruch 1), er kann aber auch einstückig mit der Blasform, deren Boden er bildet, gestaltet sein (Anspruch 1, Anspruch 11).

Der Zweistufen-Blasformungs-Prozeß, der erkennbar angesprochen wird, betrifft die Preform, die in einem ersten Blasformungs- Schritt in einer ersten Form unter Druck zu einem Zwischenbehälter geformt wird. Der Zwischenbehälter kann deutlich größer sein als der endgültig angestrebte Behälter. Der Zwischenbehälter wird durch Schrumpfen auf eine Größe gebracht, die unterhalb derer liegt, die endgültig beabsichtigt ist. In einer zweiten Form erhält der geschrumpfte Zwischenbehälter seine endgültige Form. Gleichwohl bleibt der Boden in seiner wellenförmigen Gestalt mathematisch ähnlich, was eine durch Schrumpfen bewirkte Maßveränderung einschließt, eine Gestaltungsidentität aber beibehält.

Beide Blasformungs-Schritte können so ausgestaltet sein, daß die Flaschen bzw. Zwischenbehälter für jede Blasformung auf jeweils einem Speicherrad abnehmbar angeordnet sind (Anspruch 13, 14), so daß sie einfach geformt und stetig gekühlt werden können.

Ergänzend zu der sich überraschend ergebenden vollinspektionsfähigen Bodengeometrie mit kegelstumpfförmigem ersten Boden zeigt sich auch die Möglichkeit, daß Kunststoff eingespart werden kann. Erste Berechnungen haben gezeigt, daß bis zu 10% Material eingespart werden kann, wenn der Behälter mit einem linearen Bodenabschnitt entsprechend dem Kegelstumpf des Blasform-Bodens ausgebildet wird und sich nach Abnehmen von diesem Boden eigenständig und ohne weitere Einflüsse in eine Bodenarchitektur verformt, die schon im wesentlichen diejenige Gestalt hat, die die endgültige Flasche später - nach Abformung auf dem zweiten Bodeneinsatz - erhalten soll.

Aufwendige Umformungen der Bodengeometrie zur Sicherstellung sowohl der Temperaturstabilität, der Standfestigkeit als auch der vollen Inspektionsfähigkeit ohne Schattenbildung können unterbleiben, so daß zusätzliche Krümmungen und Wellungen vermieden werden. Ein künstlicher Ausgleich von Verspannungen ist deshalb entbehrlich.

Besonders stark kommt die Materialersparnis zum Tragen, wenn mit der Erfindung die bisher dickeren Böden von Kunststoff-Flaschen dünner gestaltet werden können und gleichwohl thermische Stabilität im Bodenbereich beibehalten wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele erläutert und ergänzt.

Fig. 1 ist ein Beispiel eines Kegelstumpf-Bodens 1 mit einer linearen Mantelfläche 1a und einem am unteren Ende stetig auslaufenden Ring-Einschnürungsbereich 1b und einem oberen ebenen Plateau 1c.

Fig. 1a ist das Gegenstück zu Fig. 1. Es ist ein Ausschnitt aus einer sich nach aufwärts, längs der Achse 100 erstreckenden PET-Flasche, namentlich des nach innen gewölbten Bodenbereichs 10, der am unteren Ende eine Ring-Aufstandsfläche oder -linie 10r aufweist. Von dieser Aufstands-Fläche aufwärts erstreckt sich die Außenwandung der Flasche, die hier nicht weiter dargestellt ist.

Fig. 2 ist der zweite Bodeneinsatz oder die zweite Bodenform 20, die mit ihrer Oberflächen-Kontur kuppel- oder glockenförmig ausgebildet ist und eng an die in Fig. 1a abgebildete Bodenarchitektur 10 angepaßt ist.

Fig. 2a ist die Bodengeometrie der Flasche, nach ihrer Blasformung auf dem in Fig. 2 abgebildeten Formboden 20, wobei die in Fig. 1a schon erkennbare wellenförmige Geometrie 10′, 10′′, 10w hier bei unverändertem Wendepunkt 10w eine verdeutlichte Wellengeometrie 10′ und 10′′ aufweist.

Fig. 3 repräsentiert den Stand der Technik, bei dem der Formboden-Einsatz 30 deutlich domförmig gewölbt ist, um der Flasche in der ersten Blasformung eine schon stark ausgeprägt kuppelförmige Form zu geben.

Fig. 3a repräsentiert die Bodengeometrie, wie sie nach Schrumpfen des von dem Bodeneinsatz gemäß Fig. 3 abgenommenen Behälters und erneutem Blasformen (der zweiten Blasformung) ausgebildet wird, wobei der Bereich E in den Fig. 3b und 3c verdeutlicht ist.

Fig. 3b, Fig. 3c veranschaulichen den axialen Blick L längs der Achse 100 von Fig. 3a und einen Ausschnitt des Querschnitts von Fig. 3a, der dort mit E bezeichnet wird. Hier sind die Schattenbildungen erkennbar, die bei der Bodengeometrie entstehen, deren erste Blasformung von dem Bodeneinsatz in Fig. 3 prägend beeinflußt wird.

In Fig. 1 ist unter einem Winkel α gegenüber der Vertikalen (der Flaschenachse 100) eine Mantelfläche 1a eingezeichnet, die im wesentlichen geradflächig verläuft. Der Formbodeneinsatz 1 enthält am inneren Ende der geraden Mantellinie ein ebenes Plateau 1c, das in der Horizontalen verläuft. Am unteren, äußeren Ende der geraden Mantelfläche 1a ist ein Ring- Einschnürungsabschnitt 1b gezeigt, der zur Ausführung der Ring- Aufstandsfläche 10r dient. Eine erste Blasformung bewirkt ein Andrücken des Bodenabschnittes der Preform auf den Kegelstumpf- Boden 1 von Fig. 1. Es entsteht ein unter dem Winkel α geneigter, im wesentlichen gerade verlaufender Bodenabschnitt, der sich nach Schrumpfen der Flasche oder Abziehen der Flasche vom Boden gemäß Fig. 1 in eine Bodengeometrie eigenständig und ohne äußere Einflüsse wandelt, wie sie in Fig. 1a gezeigt ist. Diese Bodengeometrie entsteht überraschend aufgrund von Lösen innerer Spannungen nach der ersten Blasformung, dem sogenannten "Memory-Effekt" der Preforms nach dem Streckblasen, welche Eigenspannung durch den linearen, schräg gestellten Mantel genau so erzeugt wird, daß sich die wellenförmige Gestalt ausbildet.

Erkennbar ist an der Geometrie eine im Querschnitt wellenförmige Architektur, bei der eine erste, äußere Krümmung 10′ mit einem Radius r′ ausgebildet wird, die von der Aufstandssicke 10r bzw. der Ring-Aufstandsfläche 10r nach innen gerichtet ausgebildet wird.

Sie mündet in einem Wendepunkt 10w, von dem ausgehend eine entgegengesetzt gerichtete Krümmung 10′′ mit einem kleineren Radius r′′ gebildet wird, der in ein scheibenförmiges Plateau 10k überleitet. Das Plateau kann flach sein oder leicht gewölbt. Die sanfte Überleitung von der oberen Krümmung r2 zum Plateau wird über eine dritte Krümmung r3 erreicht.

Mit dieser Geometrie wird im wesentlichen ein nach innen gewölbter Boden schon erreicht, obwohl der Bodeneinsatz 1 eine ganz andere Bodengeometrie erwarten lassen würde, als sich nach wesentlichem Ausgleich der inneren Spannungen tatsächlich ergibt.

Fig. 2 zeigt einen zweiten Bodeneinsatz 20, der in seiner Architektur eng an die entstehende Bodengestaltung der Flasche, die in Fig. 1a gezeigt ist, angepaßt ist. Ebenso wie in Fig. 1a sind auch hier zwei entgegengesetzt gerichtete Radien r1 und r2 zugegen, die einen ersten gekrümmten Bereich 20b und einen entgegengesetzt gekrümmten zweiten Bereich 20a definieren, welch letzterer radial weiter innen liegt, als der zuerst genannte. Der innere gekrümmte Bereich 20a leitet über in eine schwach gewölbte, abgesetzte Kuppel 20c, die dem Plateau 10k der Fig. 1a in ihrer Radial-Erstreckung angepaßt ist. Der äußere gekrümmte Bereich 20b, der Kugelschicht-Form aufweist, leitet über in den - den inneren Bereich der Aufstandssicke 10r definierenden - Formteil- Abschnitt.

Das Ergebnis des zweiten Streckblas-Vorgangs (Blasform- Vorganges) ist in Fig. 2a gezeigt, wo die schon in Fig. 1a ihrem Wesen nach begründete Bodengeometrie deutlicher ausgeprägt wird, aber nicht wesentlich verändert wird.

Die Geometrien der Fig. 1a, 2a sind im wesentlichen "ähnlich" (im mathematischen Sinne).

Die zuletzt genannte Bodengeometrie hat eine uneingeschränkte Inspektionsfähigkeit, die durch die vertikal eingezeichneten Pfeile L - parallel zur Zentralachse 100 - angedeutet wird. Kein Bereich des sich in radialer Richtung wellenförmig (im Querschnitt) erstreckenden eingezogenen Bodens zeigt Schatten S. Ohne Schatten kann sichergestellt werden, daß Laugenreste oder verbleibende Verschmutzungen im Flascheninneren - nach dem heißen Waschen - sicher erkannt werden.

Die Schattenbildung S eines Standes der Technik ist in Fig. 3b, 3c verdeutlicht, auch ist derjenige Bereich in Fig. 3a angegeben, der diesen Schattenbereich S - als ringförmige Verdunkelungszone in Fig. 3b repräsentiert - verursacht. Eine Kamera 40, die eine Linse aufweist, die so ausgestaltet ist, daß der gesamte Bodenbereich innerhalb des Aufstands-Ringes 10r abgebildet wird, würde den Ring gemäß Fig. 3b als Abbild zeigen. In diesem Bereich ist eine nur eingeschränkte optische Kontrolle - eine eingeschränkte Inspektionsmöglichkeit - begründet, so daß dieser Bodenbereich nicht das leistet, was mit dem Bodenbereich gemäß der Fig. 2b nur unter Zuhilfenahme eines kegelstumpfförmigen Bodens 1 gemäß Fig. 1 erreicht wird.

Nur zu Veranschaulichungszwecken wird das Gegenstück zu Fig. 1 in Fig. 3 abgebildet, mit dem im Stand der Technik der Bodenbereich im ersten Blasformungs-Schritt gebildet wird, der im zweiten Blasformungs-Schritt zu der Bodengeometrie gemäß Fig. 3a führt. Dort ist ein beherrschendes Kugelsegment 30a erkennbar, das nahezu den gesamten Bodenbereich einnimmt und dem Boden eine nur einwärts gekrümmte Architektur innerhalb der Aufstandssicke 30c bzw. 10r verleiht. Diese domförmige Struktur wird mit einem zweiten - hier nicht dargestellten - Bodeneinsatz erst in eine Geometrie überführt, die thermische Stabilität, mechanische Festigkeit aber nur eingeschränkte, nicht optimale Inspektionsfähigkeit bietet.

Der in Fig. 1 dargestellte Winkel α, der der Neigung der Mantelfläche 1a des Kegelstumpfes aus der Vertikalen entspricht, ist etwa 60°; er kann leicht nach aufwärts oder abwärts verändert werden, wobei sich nach wie vor die überraschende und eigenständige wellenförmige Verformung des von dem Kegelstumpf abgelösten Bodens zeigt. Außerhalb der erwähnten Bereiche findet die selbständige Verformung - erreicht über den "Memory- Effekt" - nicht statt.

Claims (17)

1. Verwendung eines kegelstumpfförmigen (1a, 1b) Bodeneinsatzes (1) mit im wesentlichen ebener Mantelfläche (1a) für die erste Blasformung eines Kunststoffbehälters mit nach innen gerichtetem domförmigem Boden (10; 10′, 10′′, 10k, 10w, 10r).

2. Verwendung nach Anspruch 1, bei der mit einem zweiten Bodeneinsatz (20) in einer zweiten Blasformung der domförmige Boden (10) mit einem Kugelsegment (Kugelschicht; 10′) mit erstem Radius (r1) und mit einer oberen Krümmung (10′′) mit zweitem Radius (r2) deutlicher ausgeprägt oder nachgeformt wird, wobei die Krümmungen (r1, r2) gegeneinander gerichtet sind.

3. Verwendung nach einem der erwähnten Ansprüche, bei der der erste Radius (r1) deutlich größer ist als der zweite Radius.

4. Verwendung nach einem der erwähnten Ansprüche, bei der der Mantel (1a) des Kegelstumpfes (1) einen Winkel (α) von 40° bis 70° gegenüber der Flaschenachse (100) hat ("etwa 60°") und eben ist.

5. Verwendung nach Anspruch 4, bei der die Mantelfläche (1b) unter 60° verläuft.

6. Verwendung nach einem der erwähnten Ansprüche, bei der der Bodeneinsatz metallisch ist.

7. Verwendung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei der mit dem zweiten Bodeneinsatz (20) der dem Plateaubereich (1c) des ersten Bodeneinsatzes (10) entsprechende Boden- Zentralbereich (10k) des Flaschenbodens leicht gewölbt wird.

8. Verwendung nach einem der Ansprüche, bei der

• (a) der Kegelstumpf-Bodeneinsatz (1) einen im wesentlichen ebenen oder leicht gewölbten Plateaubereich (1c) aufweist, und/oder
• (b) am unteren Ende der Mantelfläche (1a) eine umlaufende, nach innen gerichtete Ausformung (1b) vorgesehen ist.

9. Herstellverfahren für bodenseitig inspektionsfähige und heiß waschbare Kunststoff-Flaschen, insbesondere aus PET, bei dem

• - in einer ersten Blasformung der Bodenbereich (10) der Flasche auf einen nach innen gerichteten Kegelstumpf (1) aufgeformt wird;
• - der abgeformte kegelstumpfförmige Flaschenboden nach Herausnehmen aus der Form oder Schrumpfen - im Querschnitt - eine Wellung (10′, 10′′, 10w) erhält, deren Wendepunkt (10w) axial höher liegt als der Boden-Aufstandsring (10r) der Flasche (10).

10. Herstellverfahren nach Anspruch 9, bei der die Wellung (10w, 10′, 10′′) selbsttätig - allein durch Abnehmen von dem Bodeneinsatz (1) - gebildet wird, wodurch der Boden (10) im wesentlichen spannungsfrei wird.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 9 oder 10,

• - bei der eine Kunststoff-Preform bei einer erhöhten Temperatur in einer ersten Blasform mit Kegelstumpf-Boden (1; 1c, 1a, 1b) unter erhöhtem Druck ausgeformt wird;
• - eine Stellvorrichtung vorgesehen ist, die die erste Blasform öffnet, um das Schrumpfen des in der ersten Blasform geformten Zwischenbehälters zu ermöglichen;
• - eine zweite Blasform vorgesehen ist mit im wesentlichen kuppelförmigem Boden (20; 20a, 20b, 20c, 20d).

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei welcher der oder die Böden (20; 1) der Blasform(en) als metallischer Einsatz ausgebildet sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, bei der die Zwischenbehälter und die fertig geformten Behälter auf jeweils einer Speichereinrichtung zu mehreren verteilt angeordnet sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der die Behälter abnehmbar auf der jeweiligen Speichereinrichtung angeordnet sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 11 bis 14, bei der die Behälter Flaschen sind.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, bei der der kuppelförmige Boden (20) der zweiten Blasform an die Bodengeometrie der aus der ersten Blasform herausgenommenen - oder an die nach Schrumpfen entstandenen - Flaschen angepaßt ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der die Kuppel des zweiten Bodens (20) leicht gewölbt ist und/oder im unteren Bereich eine erste, nach außen gerichtete Krümmung (r1) und im leichten Abstand vom Kuppelzentrum (20c) eine zweite, nach innen gerichtete Krümmung (r2) aufweist.