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Dokumentenidentifikation DE3049725C2 08.07.1993
Titel Vorrichtung zum Herstellen eines mehrschichtigen starren Behälters im Spritzguß-Blas-Verfahren
Anmelder American National Can Co., Chicago, Ill., US
Erfinder McHenry, Robert J., St. Charles, Ill., US
Vertreter Staeger, S., Dipl.-Ing.; Sperling, R., Dipl.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing., Pat.-Anwälte, 8000 München
DE-Anmeldedatum 02.06.1980
DE-Aktenzeichen 3049725
WO-Anmeldetag 02.06.1980
PCT-Aktenzeichen US8000678
WO-Veröffentlichungsnummer 8100231
WO-Veröffentlichungsdatum 05.02.1981
Date of publication of WO application in German translation 18.02.1982
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 08.07.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.07.1993
IPC-Hauptklasse B29C 49/06

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen eines mehrschichtigen starren Behälters im Spritzguß-Blas-Verfahren, mit einer Spritzgußform und einem Kern, die miteinander einen Hohlraum zum Spritzgießen eines Vorformlings definieren, wobei die Einspritzöffnung der Unterseite des Bodens des Vorformlings zugeordnet ist, mit einer in Strömungsverbindung mit der Einspritzöffnung bringbaren Einspritzdüse für mindestens zwei koaxiale Polymerströme, mit jeweils einer jedem der Polymerströme zugeordneten Einrichtung zum Einspritzen des jeweiligen Polymerstromes in die Spritzgußform und mit einer Steuereinrichtung zum Steuern der Polymerströme. Eine derartige Vorrichtung ist nach der GB-PS 13 62 133 bekannt.

Formhaltende Behälter für Lebensmittel müssen im allgemeinen sauerstoffundurchlässig sein. Die üblichsten als Baustoff für formhaltende Lebensmittelbehälter verwendeten Polymeren sind jedoch durchlässig für Sauerstoff, der in das Lebensmittel eindringt und dessen Verschlechterung oder Verderbnis verursacht. Polymere, die ausreichend sauerstoffundurchlässig sind, eignen sich andererseits nicht allein für formhaltende Lebensmittelbehälter, da ihre Eigenschaften für ein Behältermaterial unzureichend sind, sie feuchtigkeitsempfindlich sind oder sie für die Berührung mit Lebensmittel nicht zugelassen oder von zweifelhafter Sicherheit sind. Äthylen-Vinylalkohol- Copolymeres (AVOH) ist ein transparentes, extrudierbares Material, das in trockenem Zustand eine hohe Sauerstoffundurchlässigkeit hat, die vielfach niedriger ist als Acrylnitril-Copolymere, es ist jedoch sehr feuchtigkeitsempfindlich. Die Sauerstoffabschirmfähigkeit von EVOH verschlechtert sich bei Vorliegen von nennenswerten Wassermengen erheblich. Um EVOH für die Lebensmittelverpackung verwendbar zu machen, insbesondere wenn erhöhte Lagerzeiten gefordert werden, muß es beispielsweise durch vollständige Einkapselung in Polymere, die gute Feuchtigkeitsabschirmeigenschaften haben, trocken gehalten werden.

Viele Lebensmittel werden in verpacktem Zustand in einem Druckkochtopf oder einer Kochmuffel zubereitet. In einer solchen Muffel herrschen gewöhnlich 250°F (ca. 120°C) und 30 psia (ca. 21 N/cm² absolut) Dampfdruck. Ein formhaltender Behälter muß die Bedingungen in der Kochmuffel überstehen. Er darf sich während des Kochens und während des Abkühlens nicht ständig verformen und darf keiner Änderung der gewünschten Eigenschaften seiner Bestandteile unterworfen sein. Polyolefine, insbesondere Mischungen oder Copolymere von Polypropylen und Polyäthylen, eignen sich gut zur Herstellung formhaltender Behälter und haben angemessene physikalische Eigenschaften zum Überstehen der Muffelbehandlung. Jedoch sind Polyolefine verhältnismäßig schlechte Sauerstoffabschirmer, allerdings relativ gute Feuchtigkeitssperren. Die Verwendung von Polyolefinen mit einem mittleren Kern aus einem den Sauerstoffdurchtritt verhindernden Polymeren erstellt ein angestrebtes Ziel der Lebensmittelverpackungsindustrie dar.

Aus der US-PS 41 49 839 (Iwawaki) ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Extrusion eines mehrlagigen Extrusionsschlauches zum Blasformen bekannt. Es wird auf das Ausführungsbeispiel aus Fig. 3 dieser US-PS Bezug genommen, worin Extruder 14, 15 und 24 den Kunststoff in Kammern 10, 11 und 23 extrudieren. Drei Ringkolben 12, 13 und 25 extrudieren diesen Kunststoffvorrat aus den genannten Kammern in drei Lagen um die Spindel 9. Die Ringkolben werden jeweils von Hydraulikzylindern 16, 17 und 23 angetrieben. Wie aus Fig. 9 zu ersehen ist, ist jeder der beiden Ringkolben 12 und 13 operativ mit jeweiligen Hydraulikzylindern 56, 56 gekoppelt, deren Extrusionsgeschwindigkeit jeweils durch Servoventile Positioniersensoren programmierte Ventilsteuereinheiten und eine zentrale Steuereinheit 76 gesteuert werden. Die Spindel 9 und die Düsen 52 und 53 werden in ähnlicher Weise gesteuert. In Übereinstimmung mit dem in Fig. 9 dargestellten vierten Ausführungsbeispiel wird das Dickenverhältnis zwischen der äußeren und der inneren Lage des Schlauches und die gesamte Querschnittsdicke gleichzeitig kontrolliert und gesteuert und auch bei einem siebenten Ausführungsbeispiel kann die Vorrichtung so geändert werden kann, daß ein mehrlagiger Schlauch extrudierbar ist, bei der jede Lagendicke und die Gesamtquerschnittsdicke automatisch kontrolliert und gesteuert werden kann. Diese technische Lehre kann auch bei Maschinen zum Herstellen von Schläuchen mit mehr als vier Lagen Anwendung finden. Die genannte Schrift offenbart somit eine Extrudiervorrichtung und enthält keinerlei Lehre oder Hinweis darauf, diese Vorrichtung für einen anderen Zweck einzusetzen als in der Schrift beschrieben.

In der DE-OS 23 46 135 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum diskontinuierlichen Herstellen von Mehrschicht- Formteilen aus thermoplastischem Kunststoff beschrieben, bei dem ebenfalls drei konzentrisch zueinander angeordnete Polymermaterialströme aus einer Düse in eine Form einspritzbar sind, jedoch sind bei dieser Vorrichtung, wie bei dem schon genannten Stand der Technik lediglich zwei Einspritzeinrichtungen vorgesehen, wobei der Strom aus einer dieser Vorrichtungen, nämlich derjenige mit dem Material, dem kein Treibmittel zugesetzt ist, in zwei durch Schließeinrichtungen absperrbare Einspritzstränge aufgeteilt. Diese bekannte Vorrichtung soll zwar in der Lage sein, ein Produkt herzustellen, bei dem im Angußbereich nicht das Kernmaterial, sondern dasselbe Material wie in der benachbarten Umgebung sichtbar ist, jedoch sind keinerlei Merkmale hinsichtlich einer Steuerung offenbart, die es gestatten, eine ununterbrochene Kernschicht herzustellen. Aus dieser Schrift ist des weiteren nicht zu entnehmen, in welcher Weise Steuereinrichtungen ausgebildet sein müssen, um beispielsweise das von der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugte Ergebnis zu erzielen. Es ist weder offenbart, daß die Ströme einzeln steuerbar sind, noch ist offenbart, welche Parameter in welche Steuerung der Schließhülsen einfließen.

Aus der japanischen Patentschrift mit der Offenlegungsnummer 51-1 09 952, ist ein Verfahren zum Spritzgießen eines Kunstharzprodukts und eine Vorrichtung dafür bekannt, wobei die Vorrichtung aus zwei Extrudern besteht, die jeweils eine als Ausschieber ausgebildete Schnecke aufweisen und in eine gemeinsame Einspritzdüse münden. Die Einrichtungen zum Erzeugen eines Steuersignals bestehen bei jedem Extruder aus einer Vielzahl von vorher einstellbaren Signalerzeugungsvorrichtungen. Der Weg der als Ausschieber dienenden Schnecke ist in Teilbereiche unterteilt und jede Grenze zwischen den Teilbereichen ist jeweils ein Signalgeber zugeordnet, dessen Signal mit dem von linear Umsetzer kommenden Signal in einen Addierer oder Vergleicher addiert oder verglichen wird, wobei das Ausgangssignal aus letzterem einem Schalter zugeführt wird, der mit einem Steuerorgan des Hydraulikkreises für den Extruder gekoppelt ist. Die Steuersignale in Form von Spannungen der jeweiligen, den unterteilten Bereichen der Wegstrecke der Schnecke zugeordneten Signalvorrichtungen ergeben eine abgestufte Signalfolge. Die Oberflächenschicht an der Innen- und an der Außenseite des Kunststoffgegenstands wird von einem einzigen Polymermaterialstrom gebildet. Wenn der Extruder, der das Polymermaterial für diesen die beiden Oberflächenschichten bildenden Polymermaterialstrom ausstößt, in eine vorbestimmte Stellung noch vor seiner Endstellung gekommen ist, wird ein Endschalter betätigt, der den Start für das Ausschieben des Kernmaterials des dreilagigen Produktgegenstands injiziert. Die Steuerung des Ausschubs dieses Kernmaterials erfolgt in vergleichbarer Weise wie bei dem Ausstoß des Oberflächenmaterials. Da dieser Extruder das Material sowohl für die innere Oberflächenschicht als auch für die äußere Oberflächenschicht ausstößt, beeinflußt eine Steuerung im Sinne eines schnelleren oder langsameren Materialstroms sowohl die spätere äußere Oberflächenschicht als auch in gleicher Weise die spätere innere Oberflächenschicht. Eine unabhängige Steuerung der äußeren Oberflächenschicht in Bezug auf die innere Oberflächenschicht ist mit dem offenbarten Verfahren und der offenbarten Vorrichtung nicht möglich, d. h. wenn eine Verdickung der inneren Oberflächenschicht an einer bestimmten Stelle gewünscht wird, so führt eine entsprechende Steuerung auch zu einer Verdickung der äußeren Oberflächenschicht an dieser Stelle, was jedoch unerwünscht ist.

Es ist eine dreischichtige Kunststoff-Flasche bekannt (US-PS 38 82 259, Nohara et al.), deren Kernschicht aus mit einem unter der Marke Surlyn A im Handel befindlichen Ionomerharz gemischten EVOH besteht und dessen äußere Schichten aus mit dem selben Ionomerharz gemischtem Poläthylen bestehen. Das Ionomer "Surlyn A" wird den beiden Harzmaterialien, nämlich dem EVOH und dem Polyäthylen, zur Verbesserung der Haftung zwischen den Schichten beigemischt. Die Flasche wird durch Extrusions-Blasformen hergestellt, wobei die drei Schichten unter Herstellung eines dreilagigen Rohrs gleichzeitig extrudiert werden. Das Rohr wird, solange es noch heiß vom Extrudieren ist, zur Bildung eines dichten Verschlusses am Boden zusammengeschnürt und in einer Blasformvorrichtung, die die Form der herzustellenden Flasche hat, aufgeblasen.

Die Extrusions-Blasformung hat vier wesentliche Nachteile, wenn sie zur Herstellung mehrschichtiger Behälter mit einer Kernschicht aus feuchtigkeitsempfindlichem Sperrmaterial wie EVOH angewandt werden soll.

Erstens legt die Einschnürungsdichtung am Flaschenboden die Kernschicht aus EVOH gegenüber dem Außenraum der Flasche frei. Da EVOH und bestimmte andere Sperrmaterialien durch Feuchtigkeit nachteilig beeinflußt werden, führt das Freilegen der Kernschicht am Behälterboden dazu, daß der Behälter durch das Eindringen von Feuchtigkeit möglicherweise seine Sperreigenschaft verliert. Das Risiko, daß sich in der Umgebung des Behälters bei der Lagerung oder beim Transport dampfige Verhältnisse einstellen, ist verhältnismäßig hoch, und der resultierende Verlust der Sperreigenschaft verschlechtert oder verdirbt das Lebensmittel. Außerdem dringt unter Muffelbedingungen die Feuchtigkeit des Dampfs durch die freiliegende Sperrschicht am Boden in diese Sperrschicht ein.

Ein zweiter Nachteil besteht darin, daß die Extrusions-Blasformung notwendigerweise Abfall als Ergebnis des Abdichtens durch Abzwicken erzeugt. Da der Abfall Materialien aus jeder der drei Schichten enthält, ist ein erneutes Extrudieren dieses Abfalls schwierig und teuer.

Als dritter Nachteil führt das dichtende Abzwicken zu einem Boden uneinheitlicher Dicke und Stärke. Die Abdichtung findet entlang einer Linie zwischen den aneinanderliegenden Flächen des Materials der Innenschicht statt. Die Dichtungslinie wird von Bereichen verhältnismäßig dicken Materials umrandet. Wird der Boden während des Blasformens gestreckt, so ändert sich seine Dicke in der Nachbarschaft der Abschnürdichtung. Aufgrund der durch diese Art der Dichtung bewirkten Dickenunterschiede ist die Bodensteifheit nicht entlang sämtlichen Durchmessern einheitlich, so daß der Boden auf eine Expansion und Kontraktion bei einer Temperaturänderung des Inhalts nicht gleichförmig reagiert. Diese ungleichförmige Reaktion bewirkt ein unvorhersehbares Verhalten des Behälters im Falle einer Speisenbereitung in der Muffel.

Als vierter Nachteil kann die durchgeführte Art des Dichtverschlusses eine Unterbrechung in der Sperrschicht bewirken. Liegt Material der innenseitigen Schicht an der Abdichtung zwischen beiderseitigen Sperrschichtteilen, so ergibt sich ein Streifen ohne Sperrmaterial. Die Fläche der Unterbrechung kann so groß sein, daß der möglicherweise eindringende Sauerstoff zu einem Problem wird.

Aufgrund dieser Nachteile kann das Extrusions-Blasformungsverfahren nicht zu einem vollständig zufriedenstellenden dreischichtigen formhaltenden Behälter mit einer Kern-Sperrschicht aus einem feuchtigkeitsempfindlichen Polymeren wie EVOH führen, insbesondere wenn der Behälter zum Kochen unter Hitze und Druck bestimmt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Herstellen eines mehrschichtigen Behälters mit einer ununterbrochenen allseitig umschlossenen Kernschicht anzugeben, bei der jede Schicht unabhängig von einer anderen hinsichtlich der Dicke und des Orts der Dicke steuerbar ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des neuen Hauptanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Der Blasformungs-Spritzguß ist ein Verfahren, bei dem ein Vorformling durch Spritzguß in einem Hohlraum hergestellt wird. Der Vorformling wird zu einem Blasformhohlraum übertragen und zur Form des herzustellenden Behälters aufgeblasen. Hierbei kann er auf dem Formkern der Spritzform verbleiben und auf dieser zum Blasformungshohlraum transportiert werden. Er kann außerdem vor der Blasformung auf die erforderliche Temperatur gebracht werden, um eine optimale Temperatur oder ein optimales Temperaturprofil anzunehmen. Der Formkern kann temperaturgeregelt sein und das Äußere des Vorformlings kann durch Kontakt mit Luft oder einem anderen Strömungsmittel so auf Temperatur gebracht sein, daß das Blasformen unter optimalen Bedingungen erfolgt. Eine Orientierung kann erzielt werden, da der Vorformling während des Blasformens gestreckt wird. Die Spritzguß-Blasformung erzeugt keinen Abfall und erfordert keine Abschnürungsdichtung.

Im Rahmen der Erfindung werden Polymerenschmelzen für die innenseitigen und außenseitigen Schichten sowie für die Kernschichten der Behälterwände im wesentlichen gleichzeitig in einen Gießhohlraum durch eine Spritzdüse mit getrenntem Durchgang für jede der Polymerenschmelzen eingespritzt, wobei diese Durchgänge so angeordnet sind, daß sie zu koaxialen ringförmigen Düsenmündungen führen, die eine zentrale Mündung umgeben. Gleichzeitig können auch zusätzliche Schichten oder zwischen den Oberflächenschichten und der Kernschicht angeordnete Schichten eingespritzt werden, wodurch eine Behälterwand hergestellt wird, die vier oder mehr Schichten aufweist.

Die Ingangsetzung, der Durchsatz und die Beendigung des Zuflusses für jede Schicht sind unabhängig voneinander und werden stetig gesteuert, um die Dicke jeder Schicht zu regulieren und sicherzustellen, daß die Kernschicht oder -schichten vollständig zwischen den Oberflächenschichten eingeschlossen ist bzw. sind. Der spritzgegossene Vorformling wird auf dem Formkern zu einem Blasformungshohlraum mit der Form des Behälters übertragen und wird dann zum fertigen Behälter blasgeformt. Die Temperaturbeeinflussung des Vorformlings unmittelbar vor dem Blasen kann zu einer biaxialen Orientierung der verschiedenen Polymeren führen, wodurch erwünschte Verbesserungen der physikalischen Eigenschaften wie Impermiabilität, Klarheit, Zugfestigkeit, Schlagfestigkeit und Kriechbeständigkeit erzielt werden. Das resultierende Produkt weist eine Sperrschicht aus Schichten auf, die ohne Unterbrechung durch den Behälter verlaufen, jedoch vollständig im Material der innenseitigen und der außenseitigen Oberflächenschichten eingeschlossen sind. Da die Sperrschicht aufgrund der Feuchtigkeitsabsperreigenschaften der Oberflächenschichten vor Feuchtigkeit geschützt ist, bleibt die Qualität der Sauerstoffabschirmung erhalten.

Vorteilhafterweise ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung für jede Schicht eine seperate Einrichtung zum Ausschieben eines Polymermaterials und zum unabhängigen Erzeugen, Aufrechterhalten und Unterbrechen eines Polymermaterialstroms vorgesehen. Wesentlich hierbei ist, daß jeder Materialschicht des späteren Behälters ein separater, von einer speziell diesem Materialstrom für die besondere Schicht vorgesehene Einrichtung zugeordnet ist, die jeweils vollkommen unabhängig von den jeweiligen Einrichtungen für die anderen Materialströme steuerbar ist. Günstigerweise steht die Einrichtung für den Polymermaterialstrom, der die spätere innere Oberflächenschicht bilden, soll, über einen eigenen Kanal mit dem Düsenausgang in Strömungsverbindung. Das gleiche ist der Fall hinsichtlich der Einrichtung zum Erzeugen des Polymermaterialstroms für die äußere Oberflächenschicht des Behälters wie auch für die Einrichtung zum Erzeugen eines Materialstroms für die Kernschicht des späteren Behälters.

Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal besteht darin, daß die Einrichtungen zum Ausstoßen des Polymermaterials und zum Erzeugen und Unterbrechen des Materialstroms von besonderen Einrichtungen derart koordinierbar sind, daß der erste Materialstrom, d. h. derjenige, der die Innenseite des Behälters bildet, als erster, der dritte Materialstrom, der die Kernschicht des Behälters bildet und von dem ersten Materialstrom umschlossen ist, nach dem ersten und der zweiten Polymermaterialstrom, der die Außenseite des Behälters bildet, und der konzentrisch den dritten Polymerstrom umschließt, nach diesem dritten Polymermaterialstrom unterbrochen wird.

Günstig ist auch, daß das von den Koordiniereinrichtungen erzeugte Signal ein Zeit-Verschiebeweite-Signal ist und die Einrichtungen zum Steuern der Ausstoßeinrichtungen die Polymerströme als Funktion der Zeit steuern.

Zu der folgenden Beschreibung werden bevorzugte Durchführungs- und Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine Spritzguß- Blasformungsvorrichtung;

Fig. 2 ein Schema der Vorrichtung;

Fig. 3 eine schematische Ansicht der Spritzguß- Vorrichtung;

Fig. 4 ein Schema des Steuersystems eines der Einspritzkolben;

Fig. 5 die graphische Darstellung der Lage eines der Einspritzkolben in Abhängigkeit von der Zeit;

Fig. 6 ein Ablaufdiagramm für das Steuersystem der Vorrichtung;

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Kolbenstellung in Abhängigkeit von der Zeit für drei Einspritzkolben;

Fig. 8 bis 15 Querschnitte durch eine Düse und einen Hohlraum zur Darstellung des Zusammenfließens der verschiedenen Schichten zu verschiedenen Zeiten während des Einspritzzyklus;

Fig. 16 einen Querschnitt durch die Spritzdüse;

Fig. 17 einen Querschnitt durch die Vorform;

Fig. 18 einen Querschnitt durch den fertiggestellten Behälter;

Fig. 19 in vergrößertem Maßstab einen Schnitt durch einen Teil einer dreilagigen Behälterwand;

Fig. 20 eine graphische Darstellung der Sauerstoffdurchlässigkeit eines Sperrmaterials als Funktion des Feuchtigkeitsgehalts; und

Fig. 21 in vergrößertem Maßstab einen Querschnitt durch einen Teil einer fünflagigen Behälterwand.

Fig. 1 zeigt einen Teil der Spritzguß-Blasformungsmaschine. zwei Formkerne 10A, 10B sind an einer Platte 40 montiert, die in Querrichtung bewegbar an einer axial beweglichen Drucktafel 42 der Maschine montiert ist. Der Formkern 10A befindet sich in einer Einspritzform 20 und der Formkern 10B in einer Blasform 30B. Wird die Platte 40 (gemäß der Zeichnung) nach links bewegt, so kommt der Formkern 10A in eine Blasform 30A und der Formkern 10B in die Einspritzform 20. Durch axiales Zurückbewegen der Drucktafel 42 wird ein Vorformling aus der Einspritzform herausgenommen, woraufhin die Platte 40 mit den Formkernen 10A, B nach links oder nach rechts zur verfügbaren Blasform traversiert. Fig. 1 zeigt die Blasform 30 bereit zur Aufnahme des Vorformlings während die Blasform 30B einen Vorformling 60B enthält. Der Vorformling 60B wird mit Luft aufgeblasen, um die Form des Hohlraums der Blasform 30B anzunehmen, während in der Einspritzform 20 ein Vorformling 60A spritzgegossen wird. Die Blasformen öffnen sich, wenn sich die Drucktafel 42 zurückzieht, und werfen den fertiggestellten Behälter aus. Die Platte 40 bewegt sich in jedem Zyklus so vor und zurück, daß jedesmal gleichzeitig ein Behälter geblasen wird, während ein Vorformling spritzgegossen wird.

Fig. 2 veranschaulicht die allgemeine Anlage der Spritzguß- Blasformungsmaschine und deutet die Steuereinrichtung an. Plastikatoren 82A, 82B, 82C plastizieren die Polymeren und speisen drei Kolben-Ausschieber 70A, 70B, 70C für drei Polymerenschmelzen, welche einem Verteilerblock 75 zugeführt werden, der getrennte, zu einer Mehrkanaldüse 50 für die Einspritzform 20 führende Kanäle aufweist. Die Drucktafel 42 wird von einer hydraulischen Presse 44 axial hinsichtlich der Form bewegt. Ein Pressen-Steuerblock 110 umfaßt die Steuerkreiseinrichtungen für die Presse und die Blaszyklen. Ein Mikroprozessor 100 ist so programmiert, daß er eine Servohydraulik 120 steuert, die ihrerseits die einzelnen Einspritz-Kolben-Ausschieber steuert, und gibt Befehle für den Pressen-Steuerblock 110 ab.

Fig. 3 zeigt den aus der Mehrzahl von Plastikatoren herausgegriffenen Plastikator 82B zum Schmelzen und Liefern des geschmolzenen Polymeren B zum Kolben-Ausschieber 70B. Der Plastikator 82B ist eine reziprokierende Schraubenvorrichtung, die das geschmolzene Polymere in einen Zylinder 71B des Ausschiebers preßt, wenn ein Verteilerventil 84B geschlossen und ein Verteilerventil 85B geöffnet ist und der Kolben des Ausschiebers durch einen hydraulischen Motor 72B nach links zurückgezogen wird. Ist der Zylinder 71B mit geschmolzenem Harz vollgeladen, so wird das Verteilerventil 85B geschlossen. Auf ein Steuersignal vom Mikroprozessor 100 hin wird das Ventil 84B geöffnet und die Servohydraulik 120 steuert den Kolben-Ausschieber so, daß der Kolben gemäß einem im Mikroprozessorprogramm gespeicherten Auslenkungs-Zeit-Plan (gemäß der Zeichnung) nach rechts vorgeschoben wird. Ein Auslenkungs-Umsetzer 76 liefert ein der Kolbenauslenkung oder -verschiebungsweite proportionales Analogsignal, mit dem eine Rückkopplungsschleife für die Servohydraulik 120 vervollständigt wird. Das gemäß dem Programm ausgeschobene Polymere B passiert das Ventil 84B und fließt weiter durch die Verteilerkanäle zur Einspritzdüse, durch die Düsenkanäle und in den Hohlraum der Spritzgußform, wo es die Außenschicht des Vorformlings 60 wird.

Fig. 4 zeigt schematisch die Servoschleife, bei der das Steuersignal vom Mikroprozessor 100, das in Form einer Spannung als Funktion der Zeit dargestellt ist, und ein Stellsignal vom Auslenkungs-Umsetzer 76 in einem Verstärker 78 algebraisch kombiniert werden und das resultierende Signal der Steuerung der Servohydraulik 120 für den hydraulischen Motor 72 dient. Fig. 5 zeigt ein typisches Kolbenstellungs-Steuersignal. Da die Auslenkung durch den Umsetzer 76 gemessen wird, ist sie in der graphischen Darstellung als Spannung in Funktion von der Zeit dargestellt.

Fig. 6 zeigt ein Ablaufdiagramm des zur Steuerung der Spritzgußmaschine verwendeten Systems. Auf den Beginn des Zyklus hin überprüft das Programm die Stellungen der Ventile, Kolben usw. und lädt, wenn es alles in Ordnung befunden hat, die Ausschieber- Zylinder 71 wieder aus den Plastikatoren 82. Der Pressen- Steuerblock 110 der Spritzgußmaschine gibt ein "Einspritz"-Signal an den Mikroprozessor 100. Die Einspritzung wird gemäß dem Kolbenauslenkungs- Zeit-Programm des Mikroprozessors durchgeführt und endet am Ende dieses Programms. Zur Spritzgußmaschine wird ein Signal "Einspritzung fertig" gesendet. Der Steuerblock 110 bewirkt dann, daß Spritzgußmaschine der Vorformling an seinen Platz in der Blasform traversiert und mit der Blasformungsphase fortfährt. Diese Folge wird von der Maschine weiterhin um Zyklus durchgefahren. Ein Bedienungspult 115 kann dazu verwendet werden, das Auslenkungs-Zeit-Programm zu ändern oder die Maschine auszuschalten.

Fig. 7 zeigt die Kolbenauslenkung oder -verschiebung als Funktion der Zeit für die drei Kolben graphisch aufgetragen. Die Stellungen der Kolben sind als analoger Spannungswert als Ausgangssignal der Umsetzer 76 für jeden Kolben gemessen. Das Polymere für die innenseitige Schicht ist "A", das für die Kernschicht "C" und das für die außenseitige Schicht "B". In Fig. 7 zeigt eine Aufwärtsneigung eine Vorwärtsbewegung des Kolbens zum Ausstoßen von Polymeren an, ein horizontaler Verlauf zeigt einen stillstehenden Kolben und eine Abwärtsneigung zeigt die Zurückziehung des Kolbens an. Die Bedeutung der Fig. 7 wird anschaulicher unter Bezugnahme auf die Fig. 8 bis 15, die den Fluß der Polymeren am Ausgang der Düse 50 und an einem Eingang 52 des Hohlraums der Einspritzform 20 am abgerundeten Bodenteil des Vorformlings zeigt. Die Fig. 8 bis 15 zeigen verschiedene Zeitpunkte des Zyklus, die in Fig. 7 eingetragen sind.

Fig. 8 zeigt den Zustand zu Beginn eines Zyklus zur Zeit 0. Der Hohlraum der Spritzform 20 ist leer. Der Eingang 52 des Hohlraums enthält anfänglich nur die Polymeren A und B für die Innenschicht und die Außenschicht. Die Kolben für die Polymeren A und B beginnen, sich vorwärts zu bewegen und diese Polymeren in den Hohlraum zu drücken. Etwa 100 Millisekunden innerhalb des Zyklus beginnt der Kolben für die Kernschicht, also für das Polymere C, sich vorwärtszubewegen.

Fig. 9 zeigt, daß das Polymere C sich dem Strom im Eingang angeschlossen hat und sogleich den Hohlraum betreten wird. Fig. 10, die den Zustand bei etwa 520 Millisekunden zeigt, veranschaulicht den Strom der drei Polymere, während der Hohlraum weiter gefüllt wird. Alle drei Polymerenschichten müssen sich durch die gesamte Länge der Vorform erstrecken. Da der Strom im Hohlraum der Gießform laminar ist, ist die Geschwindigkeit in der Strommitte höher als die Geschwindigkeiten an den Hohlraumwänden. Das Einsetzen des Stroms des Polymeren C wird deshalb ausreichend verzögert, beispielsweise um 100 Millisekunden, daß dieses Polymere C das hintere Ende des Hohlraums gerade dann erreicht, wenn auch die sich langsamer bewegenden Oberflächenschichten aus den Polymeren A und B das Ende erreichen. Auf diese Weise liegen am hinteren Ende der Vorform, das das Mündungsende des Behälters werden soll, alle Schichten in ihren richtigen Stellungen vor.

Bei etwa 1000 Millisekunden im Injektionszyklus wird der Kolben für das Polymere A, also für die innenseitige Oberflächenschicht, angehalten und kann der Kolben für das Polymere C, also für die Kernschicht, etwas beschleunigt werden, um die gewünschte Materialdicke im Behälterboden zu erzielen. Das Polymere A wird im Eingang 52 abgesetzt, also in der Stärke verringert (Fig. 11), bis es schließlich durchgetrennt wird (Fig. 12). Bei 1100 Millisekunden hält der Kolben für das Polymere C an und wird der Kolben für das Polymere A wieder in Gang gesetzt. Die Fig. 13 und 14 zeigen, wie das Polymere A zum Abschnüren des Polymeren C im Eingang vorströmt und hierdurch das Letzte des Polymeren C in den Hohlraum 20 schiebt und das Polymere A das Polymere C zudeckt oder zur Isolierung gegen ein Freiliegen an der Oberfläche des Vorformlings einschließt. Fig. 15 zeigt, wie sich die Polymere A und B am Eingang zusammenfügen, um den Einschluß des Polymeren C zu vervollständigen und zum Anfangszustand gemäß Fig. 8 zurückzukehren. Zur in Fig. 15 dargestellten Zeit (1300 Millisekunden) sind alle drei Kolben zurückgezogen, so daß der Hohlraum druckentlastet ist und eine Expansion des Vorformlings verhindert wird, wenn der Hohlraum geöffnet wird, und um die in der Düse und im Eingang verbliebenen Polymeren druckzuentlasten, um ein Austreten aus der Düse zu vermeiden, solange der Hohlraum offen ist.

Ein solches Ausfließen würde zu einem vorzeitigen Polymerenfluß in den Hohlraum während des nächsten Zyklus führen, was wiederum zu einem Schmieren des Polymeren C an den Behälteroberflächen führen kann.

1500 Millisekunden geben das Ende der Einspritzphase des Maschinenzyklus für dieses Beispiel an. Anschließend an das Ende der Einspritzphase des Zyklus werden die Verteilerventile 84, 85 betätigt und die Ausschieber-Zylinder 71 wieder von den Plastikatoren 82 mit ihren Polymeren gefüllt. Die Einspritzform wird durch Zurückziehen der hydraulischen Presse 44 geöffnet, wobei der Formkern 10 aus dem Hohlraum der Form 20 zurückgezogen wird. Der soeben gebildete Vorformling wird zu einem der Hohlräume der Blasformen 30A, 30B transferiert und der Behälter, der gleichzeitig mit dem Spritzgußzyklus geformt worden ist, wird aus der Blasform, in der er fertiggestellt wurde, ausgestoßen.

Die Fig. 16 zeigt eine Düse 50 zum Spritzgießen eines Vorformlings mit einer dreilagigen Wand. Das Polymere B, das die außenseitige Schicht bilden soll, wird vom Ausschieber 70B an einen ringförmigen Abgabekanal 54B geliefert, der das Polymere entlang dem Außenumfang des Düsenaufbaus abgibt. Das Polymere B dringt entlang einem konischen Kanal 56B zu einer ringförmigen Mündung 58B am Düsenausgang, der in den Einspritzhohlraum führt, vor. In gleicher Weise wird das Polymere C, das die Kernschicht bilden soll, vom Ausschieber 70C zu einem ringförmigen Abgabekanal 54C und von diesem entlang einem konischen Kanal 56C zu einer ringförmigen Mündung 58C geleitet. Das Polymere A, das die innenseitige Schicht bilden soll, wird vom Ausschieber 70A zu einem Kanal 56A geleitet und tritt in der Mitte des aus den Mündungen 58B und 58C hervortretenden konzentrischen Stroms aus. Ein Düsenverschlußventil 59 kann axial bewegt werden, um den Strom des Polymeren A anzuhalten.

Die Fig. 17 und 18 vergleichen den aus dem Spritzgußvorgang hervorgegangenen Vorformling 60 mit dem fertiggestellten Behälter. Dieser weist einen Behälterhals 62 auf, der während des Blasformungsvorgangs praktisch unverändert bleibt. Der Vorformling wird am abgekühlten Behälterhals festgehalten, während er im heißen und weichen Zustand geblasen wird. Der Behälterhals 62 mit einem Flansch 64 wird also im wesentlichen in der Einspritzform gebildet. Die restlichen Vorformwände werden beim Strecken des Vorformlings während der Blasformung dünner.

Fig. 18 zeigt, das sich die Kernschicht aus dem Polymeren durch den gesamten Flansch 64 erstreckt, jedoch nicht den Flanschrand durchsetzt. Dies wird zu einem großen Teil durch die Wahl der Verzögerungszeit beim Starten des Ausschiebers für das Kernpolymere erreicht. Der Flansch 64 wird in einer Doppelsaumdichtung verwendet, wenn durch bekannte Techniken ein Metallabschluß zum Verschließen des gefüllten Behälters auf die Behältermündung aufgefalzt wird. Da der Flansch einen wichtigen Bereich darstellt, ist es wichtig, daß die Kernschicht sich ausreichend in ihm erstreckt. Auch die programmierten Ströme der verschiedenen Polymeren stellen sicher, daß die Kernschicht nicht an der Einspritzstelle am äußeren Mittelteil des Behälters freiliegt.

Fig. 19 zeigt einen vergrößerten Bereich der Behälterwand innerhalb eines Kreises in Fig. 18. Die Schicht aus dem Polymeren A ist die gemäß der vorhergehenden Beschreibung gebildete Innenschicht, die Schicht aus dem Polymeren B die Außenschicht und die Schicht aus dem Polymeren C die Kern- oder Sperrschicht. Diese Schicht aus dem verhältnismäßig teuren Abschirm- Polymeren C ist am dünnsten. Die relative Dicke der drei Schichten wird durch die Steuerung der relativen Flußmengengeschwindigkeiten der drei Polymeren aufgrund der Mikroprozessorsteuerung der Verschiebungsgeschwindigkeiten der Kolben bestimmt. Eine bevorzugte Wandstruktur besteht aus einer Schicht aus einer Mischung von Polyäthylen hoher Dichte und Polypropylen an jeder Seite einer Kernsperrschicht aus Äthylen- Vinylalkohol-Copolymerem (EVOH).

Fig. 20 zeigt, wie die Qualität der Sauerstoffabschirmung der EVOH-Schicht feuchtigkeitsabhängig ist. Ist diese Schicht dünn, so bewirkt bereits eine geringe Wassermenge eine hohe Zunahme der Sauerstoffdurchlässigkeit. Aus diesem Grund muß die EVOH-Schicht angemessen gegen das Eindringen von Feuchtigkeit geschützt werden.

Ein weiteres zweckmäßiges Material für die Verwendung als Zwischenschicht zur Verbesserung der Haftung EVOH-Polyolefine sind Maleinanhydrid-Pfropf-Polyolefine, wie sie unter der Handelsbezeichnung "Admer" von der Firma Mitsui Petrochemical Industries, Tokio, Japan, vertrieben werden.

Die Verwendung von Zwischenschichten auf jeder Seite der EVOH- Sauerstoffsperrschicht führt zu einem fünflagigen Behälter. Zur Herstellung eines solchen Behälters wird die dreikanalige Düse nach Fig. 16 durch eine fünfkanalige Düse von im übrigen gleicher Konstruktion ersetzt. In Fällen, in denen die innenseitige Schicht und die außenseitige Schicht aus dem selben Polymeren bestehen, kann ein Kolben-Ausschieber für diese beiden Schichten verwendet werden. Der Strom vom Ausschieber wird dann geteilt und proportioniert, wobei ein Teil den zentralen axialen Kanal zur Bildung der innenseitigen Schicht und der Rest die äußerste ringförmige Mündung der Düse beliefern. Die beiden zusätzlichen Düsenmündungen sind unmittelbar innerhalb und unmittelbar außerhalb der Düsenmündung für die EVOH-Sperrschicht angeordnet. Die beiden zusätzlichen ringförmigen Düsenmündungen können mit dem Zwischenschichten-Polymeren von einem einzigen Kolben-Ausschieber beliefert werden, wobei dann der Strom aufgeteilt und proportioniert wird. Es kann also eine Maschine mit drei Ausschiebern einen fünflagigen Vorformling herstellen. Eine noch höhere Steuerung der Polymerenzuflüsse kann durch Verwendung einer Maschine mit einem unabhängig steuerbaren Ausschieber für jede der Schichten durchgeführt werden. Zur selektiven Steuerung der Polymerenzuflüsse kann ein Düsen- Absperrventil verwendet werden. Die drei Schichten aus dem Zwischenschicht-Polymeren und dem Sperrschicht-Polymeren können als einzige Kernschicht betrachtet werden. Fig. 21 zeigt eine fünfschichtige Wand, wobei die Schichten A und B die innenseitigen Schichten aus Polyolefin, die Schicht C die Sperrschicht aus EVOH und zwei Schichten D die Schichten aus dem Zwischenschichtmaterial sind.

Beispiel I

Unter Verwendung einer Düse mit fünf Mündungen an einer Maschine mit drei Kolben-Ausschiebern wurden fünflagige Behälter mit einem Fassungsvermögen von etwa 162,5 cm³ und einer Größe 202×307, mit etwa 11 g Gewicht hergestellt.

Die Innenschicht und die Außenschicht bestanden aus Polypropylen- Polyäthylen-Block-Copolymeren (Herkules Profax 7631). Die Haft-Zwischenschichten waren Äthylen-Vinylacetat-Copolymeres das mit einem Pfropf-Copolymeren aus Polyäthylen hoher Dichte und einem Carbonsäureanhydrid mit kondensiertem Ring (Plexar 1615-2) gemischt war. Die Sauerstoff-Sperrschicht war EVOH (Kuraray EVAL EP-F, vertrieben von der Firma Kuraray Co. Led., Osaka, Japan). Die Schichten waren gut miteinander verbunden. Die Sperrschicht verlief bis zur Lippe des Flanschs und war vollständig eingekapselt.

Beispiel II

Es wurden fünflagige Behälter ähnlich denen nach Beispiel I hergestellt, bei denen jedoch die Innenschicht und die Außenschicht aus Polypropylen (EXXON E612) bestanden. Das Material der Zwischenschicht war Plexar III, eine Mischung aus Äthylen- Vinylacetat-Copolymerem und einem Pfropf-Copolymeren. Die Sperrschicht war EVAL EP-F. Die Schichten hafteten gut aneinander. Die Sperrschicht verlief bis zur Lippe des Flanschs und war vollständig eingekapselt.

Beispiel III

Es wurden fünflagige Behälter ähnlich denen nach Beispiel I hergestellt, bei denen jedoch die Innenschicht und die Außenschicht aus einer 50 : 50-Mischung aus Polypropylen (EXXON E612) und Polyäthylen hoher Dichte (Chemplex 5701) bestanden. Das Zwischenschichtmaterial war Plexar III und das Material der Sperrschicht EVAL EP-F. Die Schichten hafteten gut aneinander. Die Sperrschicht verlief bis zur Lippe des Flanschs und war vollständig eingekapselt.

Beispiel IV

Es wurden fünflagige Behälter ähnlich denen nach Beispiel I hergestellt, bei denen die Innenschicht und die Außenschicht aus einem Copolymeren von Propylen und Äthylen (Hercules Profax 7631) bestanden. Das Zwischenschichtmaterial war Maleinanhydrid- Pfropf-Polyolefin (Mitsui Admer QB 530) und das Material der Sperrschicht EVAL EP-F. Die Schichten hafteten gut aneinander. Die Sperrschicht verlief bis zur Lippe des Flansch und war vollständig eingekapselt.

Bei der Herstellung der Behälter nach den Beispielen I bis IV begann der Einspritz-Fahrplan mit der Zuführung der Polymeren für die Innenfläche und die Außenfläche, sodann wurde das Polymere für die Haft-Zwischenschicht in Gang gesetzt und im wesentlichen gleichzeitig das Polymere der Sperrschicht in Gang gesetzt. Die Zuflüsse des Polymeren für die Haft-Zwischenschicht und des Polymeren für die Sperrschicht wurden beendet, bevor der Zufluß für das Polymere für die außenseitige Schicht beendet wurde.


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung zum Herstellen eines mehrschichtigen starren Behälters im Spritzguß-Blas-Verfahren,

    - mit einer Spritzgußform und einem Kern, die miteinander einen Hohlraum zum Spritzgießen eines Vorformlings definieren, wobei die Einspritzöffnung der Unterseite des Bodens des Vorformlings zugeordnet ist,

    - mit einer in Strömungsverbindung mit der Einspritzöffnung bringbaren Einspritzdüse für mindestens zwei koaxiale Polymerströme,

    - mit jeweils einer jedem der Polymerströme zugeordneten Einrichtung zum Einspritzen des jeweiligen Polymerstromes in die Spritzgußform, und

    - mit einer Steuereinrichtung zum Steuern der Polymerströme,

    gekennzeichnet durch
    1. a) - wenigstens drei Plastikatoren zum unabhängigen Schmelzen der jeweiligen Polymeren zum Einspritzen zumindest dreier Polymerströme, um eine innenliegende Außenschicht, eine außenliegende Außenschicht und wenigstens eine Kernschicht zu formen,
    2. b) - Mittel zum Servosteuern unabhängig voneinander betätigbarer, mit den Plastikatoren verbundener Ausstoßkolben zum jeweiligen Vorschieben der drei Polymerströme zur Düse und für das im wesentlichen gleichzeitige Einspritzen der zugeordneten Polymerströme durch die Einspritzöffnung, wobei jeder der Polymerströme in der Einspritzdüse durch einen eigenen Kanal zu einer ringförmigen Mündung geführt ist und zumindest zwei der Mündungen koaxial zueinander angeordnet sind,
    3. c) - lineare Umsetzermittel für jeden der Ausstoßkolben zum Erzeugen eines die lineare Verschiebeweite des Ausstoßkolbens angebenden elektrischen Signals,
    4. d) - Einrichtungen zum Erzeugen eines Zeit-Verschiebeweite- Ablaufsignals für jeden der Ausstoßkolben,
    5. e) - Steuereinrichtungen zum Steuern der Servo-Steuermittel für jeden der Ausstoßkolben in Abhängigkeit von der algebraischen Summe der beiden Signale, und
    6. f) - mit den Einrichtungen der Merkmale a) bis e) in Wirkverbindung stehende Mittel zum voneinander unabhängigen Steuern der Zufluß-Mengengeschwindigkeiten und des Beendens der Polymerströme in Abhängigkeit von der Zeit, die ausgelegt sind, den Fluß des Polymerströmes für die innenseitige Außenlage zu beenden, bevor der Fluß des Polymerstroms für die Kernlage beendet wird.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausstoßkolben von den Einrichtungen (100) so koordinierbar sind,

    - daß der Beginn des Einspritzens für die Kernschicht (C) gegenüber dem gemeinsamen Beginn des Einspritzens für die Außenschichten (A, B) verzögert ist, und

    - daß, wenn alle Lagen eingespritzt sind, der Polymerstrom (C) für die Kernschicht gestoppt wird, nachdem der Polymerstrom (A) für die innenliegende Außenschicht unterbrochen wurde.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Einrichtung (100) der Polymerstrom (A) für die innenliegende Außenschicht vor dem Unterbrechen des Polymerstroms (B) für die außenliegende Außenschicht nochmals in Gang gesetzt werden kann.
  4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit Mitteln zum Überführen der Vorform aus der Spritzgußform zu einer Blasform zum Blasformen des Artikels, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Blasformen und zwei diesen zugeordnete Kerne vorgesehen sind, wobei die Blasformen so angeordnet sind, daß jeweils der eine der Kerne mit einer der Blasformen und der andere mit der Spritzgußform in Eingriff steht.






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