ITPN960025A1

ITPN960025A1 - Procedimento e impianto perfezionato per la produzione di preforme in resina termoplastica

Info

Publication number: ITPN960025A1
Application number: IT96PN000025A
Authority: IT
Inventors: Moreno Barel; Franco Bellotto
Original assignee: Sipa Soc Industrielle
Priority date: 1996-04-18
Filing date: 1996-04-18
Publication date: 1997-10-18
Also published as: WO1997039874A1; PL329355A1; IT1289373B1; JP2000508593A; PL182070B1; TR199801048T2; AU2024797A; BR9708849A; JP3953521B2; EP0900135B1; DE69703618D1; DE69703618T2; AU706097B2; ITPN960025A0; EP0900135A1

Description

"PROCEDIMENTO E IMPIANTO PERFEZIONATO PER LA PRODUZIONE DI PREFORME IN RESINA TERMOPLASTICA"

DESCRIZIONE

Il presente brevetto si riferisce ad un procedimento e ad un impianto atti alla produzione in scala industriale di contenitori in resina termoplastica, particolarmente in polietilentereftalato (PET) e polipropilene (PP) destinati al riempimento con liquidi anche ad elevata temperatura e/o contenenti gas di C02 (anidride carbonica).

Nel campo della tecnologia e delle macchine per la produzione di contenitori esistono numerosi sviluppi e perfezionamenti intesi a ottenere dei processi produttivi e relativi apparati in grado di produrre detti contenitori in modo sempre piu' affidabile, piu' economico, piu' versatile, con maggiore qualità' in un contesto industriale altamente competitivo di produzione su grandissima scala.

E ' noto che tali processi produttivi possono essere schematicamente raggruppati in due tipologie basilari: procedimenti mono-stadio e procedimenti bi-stadio; questo brevetto si applica alle preforme ottenute con entrambi tali procedimenti ed ai medesimi rispettivi procedimenti.

I procedimenti monostadio sono cosi' defimiti per il fatto che sono in grado di formare la cosiddetta bolla o preforma, trasferire detta bolla dallo stampo di iniezione o estrusione (dopo il relativo raffreddamento a qualche adeguata temperatura) ad una stazione di condizionamento, dove si uniforma o si equilibra ad una temperatura di orientamento molecolare preferenziale. Detta bolla o preforma viene quindi trasferita ad uno stampo di soffiaggio, dove viene stampata nella forma desiderata. Inerente a qualsiasi processo monostadio e' il fatto che una disuguale distribuzione del calore viene a sussistere nel senso della sezione trasversale dello spessore .di parete della preforma nel momento in cui questa viene trasferita dallo stampo d'iniezione o di estrusione. Esistono vari processi brevettati concernenti i tempi e le temperature della preforma quando questa viene estratta dallo stampo di iniezione, al fine di ottimizzare appunto i tempi di ciclo. I procedimenti bi-stadio sono cosi' definiti perche' la realizzazione della bottiglia soffiata avviene in due fasi distinte che possono essere anche molto intervallate tra loro, anzi il vantaggio di tale tecnologia si fonda appunto sul fatto che l'intero procedimento viene diviso in due fasi che normalmente avvengono in tempi e luoghi molto diversi, offrendo quindi maggiore flessibilità' dal punto di vista tecnico, produttivo e commerciale.

Nella prima fase viene prodotta la preforma singola, che viene normalmente conservata o trasportata presso un utilizzatore finale.

Nella seconda fase la preforma viene ricondizionata in temperatura e quindi subito soffiata per ricavarne la bottiglia finita.

Oltre alla maggiore flessibilità' il procedimento bi-stadio consente anche potenzialmente elevate economie di scala poiché' un solo produttore di preforme può' fabbricare preforme sullo stesso impianto, dalle quali preforme si possono pero' ottenere differenti tipologie di bottiglie.. Tuttavia il procedimento bi-stadio e' penalizzato per la sua natura, dal maggior consumo di energia poiché' la preforma nel secondo stadio deve essere ricondizionata completamente alla temperatura ottimale per la soffiatura successiva.

In entrambi detti procedimenti ed impianti sia mono- che bistadio per la produzione di prodotti plastici cavi, tipicamente bottiglie, la preforma viene ottenuta mediante l'estrusione continua di un flusso di resina termoplastica, particolarmente P.E.T., in una pluralità' di stampi multipli; tuttavia la realizzazione della preforma non e' indipendente dalle modalità' in cui questa viene soffiata e dall'impiego della conseguente bottiglia, ma deve tener conto di alcune variabili come principalmente il grado di orientamento della preforma e la produttività' dell'impianto .

Mentre l'operazione di iniezione tende a indurre un certo grado di orientamento alla preforma, il grado ed il tipo di tale orientamento sono difficili da controllare e pertanto questo viene eseguito nelle condizioni piu' favorevoli di distribuzione di temperatura.

E' noto che il controllo dell'orientamento dipende in massima parte dalla temperatura della preforma subito prima dell'orientazione, ed e' anche noto, e pratica comune, di controllare tale temperatura ponendo la preforma in un ambiente a temperatura controllata per un tempo controllato, detto procedimento essendo noto come "condizionamento", ben noto agli esperti del settore e che non verrà' oltre illustrato .

La preforma estratta dallo stampo di iniezione e' relativamente fredda, e deve avere una temperatura adeguata per le successive fasi di stiro-soffiaggio.

In conclusione, affinché' la preforma raggiunga il grado desiderato di robustezza, essa deve essere raffreddata e questo tempo minimo di raffreddamento rappresenta per un processo mono-stadio il limite al di sotto del quale si hanno problemi di estrazione dallo stampo.

Notoriamente lo stampaggio di preforme si compone di quattro fasi distinte ed in sequenza:

1) Fase meccanica di chiusura stampo di iniezione,

2) Fase di iniezione della resina,

3) Fase di post-pressione o mantenimento,

4) Fase di raffreddamento.

Mentre le prime tre fasi sono rigide nel senso che impongono tempi ed altri parametri ben precisi per produrre il pezzo stampato, la fase di raffreddamento determina la temperatura alla quale esce la preforma dallo stampo di iniezione.

Piu' lungo e' il tempo di raffreddamento minore ovviamente sara' la temperatura della preforma all'uscita dello stampo. Se tale fase di raffreddamento e' troppo breve può' succedere che la temperatura della preforma sia talmente elevata da indurre problemi nella fase di estrazione dello stampo di iniezione.

Tale tempo di raffreddamento e' notoriamente il piu' lungo tra i tempi delle varie operazioni che devono essere eseguita per ottenere il prodotto finito, e cioè' anche del condizionamento e della la soffiatura con i rispettivi tempi di movimentazione.

Di conseguenza, poiché' le varie fasi di lavorazione si devono sincronizzare sul medesimo tempo-ciclo (T C)il quale è determinato dal tempo dell'operazione piu' lunga, ne viene che la fase di stampaggio determina il tempo ciclo minimo che non può' essere ulteriormente ridotto per le ragioni tecniche sopra esposte.

Il possibile e desiderabile accorciamento del tempo di permanenza della preforma nello stampo di iniezione libera tale stampo per la fase di stampaggio successiva, pertanto accorcia corrispondentemente .tale fase di stampaggio e quindi, per quanto detto sopra; riduce il tempo-ciclo e aumenta la produttività' di tutto l'impianto.

Bisogna inoltre considerare che i recenti sviluppi sulla riduzione della grammatura delle bottiglie hanno portato ad un aumento dei rapporti di stiro.e conseguentemente ad un aumento degli spessori della preforma dell'ordine del 10 -15 % per contenitori a bassa e media gassatura, e del 15 -20 % per contenitori ad alta gassatura.-Ciò' ha determinato anche un aumento del ciclo-macchina soprattutto per quanto riguarda i formati ad alto contenuto di C02, anche se il fenomeno e' stato attenuato da recenti sviluppi introdotti nelle stazioni di condizionamento, come divulgato nel brevetto italiano (domanda) n. PN95A000048 della medesima depositante.

Poiché' il tempo ciclo di una macchina mono-stadio e' dettato dal tempo necessario alla pre-forma di raggiungere un certo profilo di temperatura alla fine della fase di stampaggio, esso dipende principalmente dallo spessore della preforma e approssimativamente e' dato dalla seguente relazione :

Tempo Ciclo = 12 x (spess pref.in mm/3,429)2 3 considerando 3 come il tempo meccanico in secondi dello stampo di iniezione.-Ad es. se si considera una bottiglia media da 2 lt. passando da bassa ad alta carbonatazione lo spessore della preforma aumenta da 3,9 a 4,6 mm.-Continuando l'esempio il tempo ciclo a parità' di rapporti di stiro per due preforme da 3,9 e 4,6 mm. di spessore medio sarebbero rispettivamente :

Tempo Ciclo (3,9) - 12 x (3,9/3,429)2 3 = 18,5 sec. con un peso della bottiglia di 52 gr., e

Tempo Ciclo (4,6) = 12 x (4,6/3,429)2 3 - 24,6 sec con un peso della bottiglia di 45,5 grammi.-L'aumento del tempo ciclo sarebbe quindi di circa il 33 %, che con una riduzione del peso del 15 % con rapporti di stiro aumentati da 10 a 15, il tempo ciclo con la preforma da 4,6 mm si riduce da 24,6 a circa 20,

5 secondi.-In ogni caso pur con un bilanciamento dei rapporti di stiro {che rappresenta il reale vantaggio dei processi mono-stadio rispetto ai processi bi-stadio) il tempo-ciclo macchina si situa sempre oltre il 10 % superiore al tempo con rapporti di stiro e peso tradizionali.

Deriva da questo l'opportunità' di di ridurre i tempi-ciclo macchina pur rimanendo con rapporti di stiro e peso tradizionale .

Per migliorare la produttività' della macchina e', stata proposta una soluzione, divulgata nel brevetto US 4,382,905 a nome Emery Valyi, che insegna ed estrarre la preforma dallo stampo di iniezione quando la temperatura della sua superficie interna, si abbassa sotto al punto a cui corrisponde il piu' alto tasso di cristallizzazione per quella resina specifica, a estrarre la preforma dallo stampo anche quando essa si trova ad una non uniforme distribuzione di temperatura e prima che raggiunga una temperatura media adatta per l'orientamento, e trasferire rapidamente la preforma ad uno stampo di mantenimento posto tra lo stampo di iniezione e lo stampo di condizionamento perche' il contenuto di calore della preforma continui a modificarsi e quindi per raggiungere una temperatura media adatta per l'orientamento. In tale brevetto lo stampo di mantenimento viene mantenuto ad una temperatura di mantenimento sostanzialmente inferiore a quella della superficie interna della preforma.

Il citato brevetto a nome Valyi presenta alcuni evidenti inconvenienti che sono riassunti come segue:

- gli stampi di iniezione sono rapidamente raffreddati; tuttavia ciò' provoca una cattiva e disuniforme solidificazione della resina fluida e pertanto una carente uniformità' nella preforma, che invece deve essere tenuta in condizioni piu' omogenee possibili, senza parlare della difficolta' di raffreddare velocemente gli stessi stampi di iniezione;

- gli stampi di mantenimento non sono ne' condizionati ne' controllati in temperatura, e pertanto nel corso del funzionamento essi possono raggiungere temperature variabili aleatoriamente ponendo il procedimento sostanzialmente fuori controllo, a causa della grande dipendenza tra la temperatura della preforma e le caratteristiche di orientamento e di stiro.

Tali inconvenienti di tipo costruttivo e di processo hanno di fatto impedito la realizzazione di procedimenti ed impianti del tipo citato.

Conformemente a quanto premesso, e' dunque scopo principale della presente invenzione realizzare:

a) un procedimento mono-stadio e bi-stadio di produzione di una preforma in resina termoplastica termicamente stabile, in cui la fase di iniezione di resina e di raffreddamento fino alla temperatura desiderata di solidificazione sia ottenuta trasferendo nella seconda parte di detta fase le preforme in opportuni bicchieri di raffreddamento, i quali raffreddano alla temperatura voluta la superficie esterna delle preforme mediante il contatto tra queste e la superficie interna di detti bicchieri, mettendo sotto pressione il volume interno di dette preforme cosi' che la deformazione verso l'esterno che ne consegue garantisce e mantiene per il tempo voluto il contatto alla pressione desiderata .

b) un impianto mono-stadio o bi-stadio atto ad eseguire il procedimento sopra-descritto.

Questi scopi della presente invenzione risulteranno chiari ed evidenti agli esperti del ramo dalla lettura e comprensione della descrizione qui di seguito riportata.

Un esempio non limitativo dell'invenzione viene qui descritto ed illustrato in dettaglio con riferimento ai disegni e tabelle·allegate nei quali:

la figura 1 mostra schematicamente la sequenza delle stazioni e delle fasi di produzione di una preforma e di una bottiglia secondo l'invenzione,

la figura 2 mostra una sezione di un bicchiere che alloggia una preforma secondo l'invenzione,

- la tabella A mostra, nelle diverse e successive posizioni della preforma nei diversi stadi del procedimento di produzione, la temperatura superficiale rilevata in funzione del tempo ciclo impostato,

la fig. 3 mostra i grafici dell'andamento delle temperature esterne di una medesima preforma secondo diversi tempi-ciclo impostati , detti grafici rappresentano

ordinatamente i valori della tabella A

- la fig. 4 mostra gli andamenti delle temperature della superficie esterna di una preforma a seconda dello stadio di formatura in cui si trovano, per diverse temperatura della preforma in unscita dallo stampo di iniezione.

Con riferimento alla fig. 1 si noti che le stazioni di un impianto mono-fase secondo l'invenzione sono costituite dalla stazione A di estrusione ed iniezione delle preforme in opportuni stampi multipli B, da una stazione di condizionamento C, (costituita da una staz. di riscaldamento CI e da una staz. di stabilizzazione C2), da una stazione di soffiaggio D e dalla stazione addizionale di raffreddamento H, oggetto del presente brevetto, interposta tra la stazione di iniezione A e la stazione di condizionamento C.

La stazione di raffreddamento H e* composta da una pluralità' di bicchieri di raffreddamento 1, in cui viene temporaneamente inserita la preforma 2, i quali presentano le pareti interne 3 sagomate in modo da potersi adattare con la maggior parte di superficie esterna della rispettiva preforma in essi inserita. Il collo 4 della preforma rimane all'esterno di detti bicchieri e non viene raffreddato.

La stazione e' anche dotata di mezzi di chiusura 5, agenti a pressione per consentire una maggior velocita' di apertura e chiusura, atti ad applicarsi sulla bocca 6 della preforma. Ciascun mezzo di chiusura e' dotato al suo interno di un foro passante 7, in modo da poter insufflare gas sotto pressione entro la cavita' della preforma e di potervelo mantenere per il tempo desiderato, normalmente pochi secondi.

Il funzionamento del dispositivo e' il seguente: all'inizio la preforma 2, appena estratta dal relativo stampo di iniezione, viene inserita nel bicchiere di raffreddamento 1 entro cui si assesta, come mostrato in figura; subito dopo viene calato il mezzo di chiusura 5 della bocca 6 della preforma, indi viene immesso gas in pressione, anche solo aria compressa, attraverso il foro passante 7.

Per effetto della pressione interna del gas, impostata entro un campo di pressione da 2 a 4 bars per ottenere i migliori risultai complessivi, e sfruttando l'elasticità' della preforma che non e' ancora consolidata, la relativa parete cilindrica viene espansa quanto basta a che la sua superficie esterna vada a contatto con la superficie interna 3 del bicchiere; poiché' il. bicchiere e' freddo, esso raffredda rapidamente per conduzione anche detta superficie esterna piuttosto calda della preforma appena iniettata, attuando cosi' il richiesto procedimento di raffreddamento rapido della preforma in un arco di tempo in cui la preforma e' fuori dal rispettivo stampo di iniezione e quindi questOultimo e' già' disponibile per lavorare su una altra preforma del ciclo successivo.

Naturalmente i mezzi di movimentazione delle preforme e di chiusura/apertura della chiusura delle bocche e di immissione di gas compresso sono ampiamente alla portata di qualsiasi esperto del settore e pertanto non verranno illustrati neppure come esempio.

Preferibilmente, per controllare ancora meglio la temperatura di tali bicchieri e soprattutto per evitare che si riscaldino troppo e' opportuno che anch'essi vengano sottoposti ad un raffreddamento forzato, ed allo scopo e' opportuno disporre una pluralità' di canali di raffreddamento 10 alloggiati entro la struttura piena di detti bicchieri; detti canali di raffreddamento sono opportunamente percorsi da fluidi, anche semlice acqua, la cui temperatura può' essere controllata e mantenuta ad un livello predeterminato in modo che la temperatura della superficie interna 3 del rispettivo bicchiere raggiunga il valore desiderato per indurre la caduta di temperatura prestabilita sulla rispettiva preforma.

I risultati dell'invenzione possono essere verificati in diversi modi: un primo modo si può' riferire alla fig. 3, che mostra in ordinata quattro gruppi di parametri (temperatura esterna, tempi, %) di una medesima preforma di prova con quattro rispettivi tempo-ciclo; detti quattro gruppi di dati si riferiscono rispettivamente alle quattro colonne di dati della Tab. A, a cominciare dalla seconda riga, che presenta in forma tabellare i medesimi risultati, ottenuti con una preforma tipica, materiale AKZO D04 300, pesante 34 gr. con uno spessore medio della parete di 4,6 mm.-Dai risultati rilevati e dal grafico costruito si osserva che la temperatura ottimale,di soffiaggio 114° con un tempociclo di 19,5 sec. in condizioni tradizionali, indicata dal punto "P", viene sostanzialmente raggiunta dal punto "Q" (a 116*) con un tempo-ciclo di soli 15 sec. raffreddando esternamente la preforma per un tempo di circa 12 secs. con le modalità' della presente invenzione.

Teoricamente quindi la riduzione del tempo ciclo, assumendo validi i rilievi di temperatura con telecamera termica, e' indicata del 25 %, passando infatti da 20 secondi circa con procedimento tradizionale a 15 secondi con il procedimento secondo l'invenzione.

Con riferimento alla figura 4, viene visualizzato l'effetto dell'invenzione sul comportamento termico della pre-forma: infatti le quattro curve A, B, C e D rappresentano l'andamento della temperatura della superficie della preforma, a seconda della fase di lavorazione, per le quattro diverse temperature rispettivamente di 118°, 124°, 133* e 136° di estrazione dallo stampo di iniezione.

Invece le curve tratteggiate Al, Bl, CI e DI mostrano invece i corrispondenti andamenti della temperatura della preforma quando questa e' sottoposta a raffreddamento forzato secondo 1 'invenzione.

La temperatura ottimale di entrata nello stampo di soffiaggio, cioè' nell'ultima fase, sia di 115*.-Dalle curve e' evidente che aumentando la temperatura iniziale di estrazione dallo stampo di iniezione la temperatura finale si allontanerà' proporzionalmente dalla temperatura desiderata di 115*.

L'invenzione descritta, producendo un rapido e forzato raffreddamento della preforma, ne costringerà' la temperatura ad abbassarsi piu' rapidamente, secondo le curve illustrate, del procedimento tradizionale, consentendo quindi di poter uscire dallo stampo di iniezione ad" una temperatura piu' elevata, nell'esempio a 136*. C, che poi il rapido raffreddamento forzato la abbassa alla temperatura finale ideale di 116* C, e cioè' ad un valore molto vicino ai 114° ottimali per il soffiaggio.

Ed e' quindi tale maggiore temperatura di uscita che consente una minore permanenza nello stampo di iniezione della preforma, cosa che consente di accorciare il tempociclo e in definitiva ad una aumentata produttività' di tutto l'impianto.

Claims

RIVENDICAZIONI 1) Procedimento mono-stadio oppure bi-stadio per la produzione di preforme in resina termoplastica orientata, particolarmente utilizzate per essere successivamente soffiate per essere trasformate in bottiglie o corpi cavi di plastica, comprendente le fasi di: - iniezione di resina plasticizzata in una pluralità' di stampi multipli (A), - consolidamento delle rispettive preforme ottenute in ciascuna cavita' di detti stampi multipli fino a che la temperatura interna si abbassa fino alla temperatura che corrisponde al piu' alto tasso di cristallizzazione per quella specifica resina termoplastica, - loro estrazione e trasferimento in opportuni bicchieri (1) di raffreddamento rapido prima che la preforma raggiunga una temperatura media adeguata per l'orientamento, caratterizzato dal fatto che il raffreddamento delle preforme (2) nei rispettivi bicchieri di raffreddamento avviene mediante la chiusura della bocca (6) della preforma dopo detto inserimento nel rispettivo bicchiere, l'immissione di gas in pressione all'interno della cavita' della preforma in modo che la sua superficie esterna vada a contatto con la superficie interna (3) del rispettivo bicchiere per un tempo predeterminato.
2) Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto bicchiere di raffreddamento e' raffreddato con fluidi circolanti a contatto degli stampi relativi a detti bicchieri.
3) Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 o 2, caratterizzato dal fatto che il tempo di permanenza nel bicchiere e' uguale al tempo-ciclo macchina meno il tempo impiegato per l'estrazione della preforma dal rispettivo stampo di iniezione sommato al tempo di trasferimento da detto stampo al rispettivo bicchiere.
4) Procedimento secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che la permanenza delle preforme durante il tempo di pressurizzazione nei rispettivi bicchieri e' compresa tra 10 e 15 secondi.
5) Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il gas viene mantenuto all'interno della cavita' della preforma ad una pressione sostanzialmente costante compresa tra 2 e 4 bars.
6) Impianto per la produzione di preforme in resina termoplastica orientata, particolarmente utilizzate per essere successivamente soffiate per essere trasformate in bottiglie o corpi cavi di plastica, comprendente una pluralità' di stampi multipli di iniezione (A) in cui viene sequenzialmente iniettata resina plasticizzata atta a solidificarsi in una pluralità' di rispettive preforme (2), caratterizzato dal fatto di comprendere: - una molteplicità' di bicchieri di raffreddamento (1) atti ad accogliere dette preforme quando prelevate da detti stampi multipli (A), - mezzi di trasferimento atti a trasferire dette preforme da detti stampi multipli di iniezione ai rispettivi bicchieri, - mezzi atti ad immettere e a mantenere gas in pressione, per un periodo definito, entro la cavita' delle rispettive preforme dopo il loro trasferimento nei rispettivi bicchieri .
7) Impianto secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detti bicchieri di raffreddamento sono disposti in una stazione di raffreddamento (H) interposta tra la stazione di iniezione (A) comprendente gli stampi multipli di iniezione (B) e la stazione di condizionamento (C).
8) Impianto secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detti bicchieri di raffreddamento sono raffreddati da fluidi posti in circolazione entro opportuni canali (10) praticati nel corpo che contiene detti bicchieri.
9) Impianto secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che detti fluidi posti in circolazione sono mantenuti ad una temperatura tra 8 e 12° C.