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Dokumentenidentifikation DE10121160A1 31.10.2002
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Temperierung von Vorformlingen
Anmelder SIG Corpoplast GmbH & Co. KG, 22145 Hamburg, DE
Erfinder Gernhuber, Matthias, 22527 Hamburg, DE;
Reimer, Dirk, 22391 Hamburg, DE;
Vogel, Klaus, 22885 Barsbüttel, DE
Vertreter Patentanwälte HANSMANN-KLICKOW-HANSMANN, 22767 Hamburg
DE-Anmeldedatum 30.04.2001
DE-Aktenzeichen 10121160
Offenlegungstag 31.10.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.10.2002
IPC-Hauptklasse B29C 49/64
IPC-Nebenklasse B29C 49/78   H05B 6/00   G01J 5/00   
Zusammenfassung Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Temperierung von Vorformlingen aus einem thermoplastischen Material. Die Vorformlinge werden im Anschluß an ihre Temperierung innerhalb einer Blasform durch Einwirkung eines unter Druck stehenden Mediums in einen Behälter umgeformt. Bei der Temperierung werden die Vorformlinge sowohl durch Beaufschlagung mit einer Heizstrahlung erwärmt als auch durch Anblasen mit Kühlluft zumindest im Oberflächenbereich gekühlt. Die Intensität der Heizstrahlung wird zur Anpassung an mindestens einen Betriebsparameter geregelt. Zur Kompensation einer Veränderung der Oberflächentemperatur der Vorformlinge aufgrund von einwirkenden Umgebungsparametern wird eine Veränderung der Intensität der Beaufschlagung der Vorformlinge mit Kühlluft durchgeführt. Dies erfolgt derart, daß bei gleichzeitig einwirkender Heizung und Kühlung eine im wesentlichen gleichbleibende Oberflächentemperatur der Vorformlinge erreicht wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperierung von Vorformlingen aus einem thermoplastischen Material, die im Anschluß an ihre Temperierung innerhalb einer Blasform durch Einwirkung eines unter Druck stehenden Mediums in einen Behälter umgeformt werden, bei dem die Vorformlinge sowohl durch Beaufschlagung mit einer Heizstrahlung erwärmt als auch durch Anblasen mit Kühlluft zumindest im Oberflächenbereich gekühlt werden.

Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Vorrichtung zur Temperierung von Vorformlingen aus einem thermoplastischen Material, die mit mindestens einem Heizelement und mit mindestens einem Kühlluftgebläse versehen ist sowie die im Bereich eines Transportweges der Vorformlinge angeordnet ist, der eine Vorformlingseingabe mit einer Blasstation verbindet.

Bei einer Behälterformung durch Blasdruckeinwirkung werden zuvor temperierte Vorformlinge aus einem thermoplastischen Material, beispielsweise Vorformlinge aus PET (Polyethylenterephthalat), innerhalb einer Blasmaschine unterschiedlichen Bearbeitungsstationen zugeführt. Typischerweise weist eine derartige Blasmaschine eine Heizeinrichtung sowie eine Blaseinrichtung auf, in deren Bereich der zuvor temperierte Vorformling durch biaxiale Orientierung zu einem Behälter expandiert wird. Die Expansion erfolgt mit Hilfe von Druckluft, die in den zu expandierenden Vorformling gesteuert eingeleitet wird. Der verfahrenstechnische Ablauf bei einer derartigen Expansion des Vorformlings wird in der DE-OS 43 40 291 erläutert.

Der grundsätzliche Aufbau einer Blasstation zur Behälterformung wird in der DE-OS 42 12 583 beschrieben. Möglichkeiten zur Temperierung der Vorformlinge werden in der DE-OS 23 52 926 erläutert.

Innerhalb der Vorrichtung zur Blasformung können die Vorformlinge sowie die geblasenen Behälter mit Hilfe unterschiedlicher Handhabungseinrichtungen transportiert werden. Bewährt hat sich insbesondere die Verwendung von Transportdornen, auf die die Vorformlinge aufgesteckt werden. Die Vorformlinge können aber auch mit anderen Trageinrichtungen gehandhabt werden. Die Verwendung von Greifzangen zur Handhabung von Vorformlingen und die Verwendung von Spreizdornen, die zur Halterung in einen Mündungsbereich des Vorformlings einführbar sind, gehören ebenfalls zu den verfügbaren Konstruktionen.

Die bereits erläuterte Handhabung der Vorformlinge erfolgt zum einen bei den sogenannten Zweistufenverfahren, bei denen die Vorformlinge zunächst in einem Spritzgußverfahren hergestellt, anschließend zwischengelagert und erst später hinsichtlich ihrer Temperatur konditioniert und zu einem Behälter aufgeblasen werden. Zum anderen erfolgt eine Anwendung bei den sogenannten Einstufenverfahren, bei denen die Vorformlinge unmittelbar nach ihrer spritzgußtechnischen Herstellung und einer ausreichenden Verfestigung geeignet temperiert und anschließend aufgeblasen werden.

Im Hinblick auf die verwendeten Blasstationen sind unterschiedliche Ausführungsformen bekannt. Bei Blasstationen, die auf rotierenden Transporträdern angeordnet sind, ist eine buchartige Aufklappbarkeit der Formträger häufig anzutreffen. Es ist aber auch möglich, relativ zueinander verschiebliche oder andersartig geführte Formträger einzusetzen. Bei ortsfesten Blasstationen, die insbesondere dafür geeignet sind, mehrere Kavitäten zur Behälterformung aufzunehmen, werden typischerweise parallel zueinander angeordnete Platten als Formträger verwendet.

Die Durchführung einer Beheizung der Vorformlinge bei einem Zweistufenverfahren sowie die entsprechende Temperaturprofilierung bei der Durchführung des Einstufenverfahrens erfolgt in der Regel unter Verwendung von Infrarot-Strahlern. Mit derartigen Infrarot-Strahlern lassen sich in kurzer Zeit relativ hohe Energiemengen in die Vorformlinge einbringen.

Bekannt ist es ebenfalls bereits, mit Hochfrequenz eine Beheizung der Vorformlinge durchzuführen, da bei einer derartigen Beheizung ein höherer Wirkungsgrad erreicht werden kann. Eine Vorrichtung zur Durchführung einer Hochfrequenzbeheizung wird beispielsweise in der EP-OS 0 849 067 beschrieben.

Ein typisches Problem bei der Verwendung von Heizstrahlung, insbesondere bei einer Verwendung von Infrarot Strahlung, besteht darin, daß ein erheblicher Anteil der Strahlung bereits kurz unterhalb der Oberfläche der Vorformlinge in Wärmeenergie umgesetzt wird, die sich dann durch Wärmeleitung weiter ausbreitet. Aufgrund der relativ schlechten Wärmeleitfähigkeit der eingesetzten Kunststoffe erfordert ein derartiger Wärmeleitungsvorgang einen Zeitraum, der bei einem Einsatz hoher Strahlungsleistungen dazu führen kann, daß eine zu starke Erhitzung des Oberflächenbereiches der Vorformlinge verursacht wird. Typischerweise werden deshalb gleichzeitig mit der Beaufschlagung der Vorformlinge durch die Strahlungsheizung Kühlluftgebläse eingesetzt, die eine Oberflächenkühlung der Vorformlinge hervorrufen. Der Begriff Kühlluftgebläse umfaßt hierbei nicht nur eine Verwendung üblicher Umgebungsluft, sondern es können gegebenenfalls auch andere geeignete gasförmige Kühlmedien in Richtung auf den Vorformling geleitet werden. Die Verwendung der Umgebungsluft als Kühlluft hat jedoch erhebliche Kostenvorteile.

Gemäß einem üblichen Verfahrensablauf wird der Vorformling in Richtung seiner Längsachse mit einem Temperaturprofil versehen, ebenfalls wird bei speziellen Konturen der zu blasenden Behälter auch in Umfangsrichtung des Vorformlings ein Temperaturprofil generiert. Darüber hinaus stellt sich auch durch die Wandung des Vorformlings hindurch ausgehend von der äußeren Oberfläche in Richtung auf die innere Oberfläche ein Temperaturprofil ein, das von der eingebrachten Strahlungsenergie, der einwirkenden Kühlluftmenge, der sich einstellenden Strömungsverhältnisse und zusätzlich von diversen Umgebungsparametern abhängig ist.

Die Vielzahl der Einflußfaktoren, die das sich einstellende Temperaturprofil zwischen der äußeren Oberfläche und der inneren Oberfläche des Vorformlings verändern, führt dazu, daß noch nicht alle Anforderungen an eine möglichst gleichbleibende Produktionsqualität erfüllt werden können. Das besondere Problem liegt hierbei darin, daß die sich einstellenden Temperaturprofile einen erheblichen Einfluß auf die Materialverteilung beim geblasenen Behälter sowie auf die jeweiligen Orientierungsverhältnisse innerhalb des Materials des geblasenen Behälters haben.

Ein weiter Einflußfaktor besteht darin, daß bei einem Einsatz der Blasmaschine in einen sogenannten Inline- Betrieb bei direkter Kopplung mit einer nachfolgenden Füllmaschine häufig ein Hoch- und Herunterfahren der Produktionsleistung der Blasmaschine erforderlich ist, was aufgrund der auftretenden thermischen Zeitkonstanten, beispielsweise der Erwärmung der Maschine sowie der Heizungskomponenten selbst, zu weiteren Ungleichmäßigkeiten bei den hergestellten Produkten führt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der einleitend genannten Art derart zu verbessern, daß eine gleichmäßige Temperierung einer großen Anzahl von Vorformlingen relativ zueinander unterstützt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Intensität der Heizstrahlung zur Anpassung an mindestens einen Betriebsparameter geregelt wird und daß zur Kompensation einer Veränderung der Oberflächentemperatur der Vorformlinge aufgrund von einwirkenden Umgebungsparametern eine Veränderung der Intensität der Beaufschlagung der vorformlinge mit Kühlluft derart durchgeführt wird, daß bei gleichzeitig einwirkender Heizung und Kühlung eine im wesentlichen gleichbleibende Oberflächentemperatur der Vorformlinge erreicht wird.

Weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der einleitend genannten Art derart zu konstruieren, daß eine gleichmäßige Produktionsqualität unterstützt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sowohl das Heizelement als auch das Kühlluftgebläse an eine Steuerung angeschlossen sind, die ein Meßsignal mindestens eines Temperatursensors auswertet, der eine Temperatur der Vorformlinge erfaßt, und daß die Steuerung für die Vorgabe eines Sollwertes für eine Förderleistung des Kühlgebläses eine Charakteristik zur näherungsweisen Konstanthaltung einer Oberflächentemperatur des Vorformlings in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Sollwert aufweist.

Die voneinander unabhängige Veränderung der Intensität der Heizstrahlung und der Intensität der Beaufschlagung der Vorformlinge mit Kühlluft ermöglicht es, ein vorgegebenes Temperaturprofil zwischen der Innenwand des Vorformlings und der Außenwand des Vorformlings relativ genau und reproduzierbar zu realisieren. Insbesondere ist es durch die Veränderungsmöglichkeiten sowohl für die Strahlungsintensität als auch für die Kühlintensität möglich, eine Vielzahl von einwirkenden Umgebungsparametern zu kompensieren und Anlaufvorgänge der Produktionsmaschine aufgrund der bekannten thermischen Zeitkonstanten derart zu gestalten, daß sehr schnell auch nach einem Maschinenanlauf eine gute und gleichbleibende Produktqualität erreicht werden kann.

Insbesondere ist daran gedacht, über die Steuerung der Intensität der Heizstrahlung das Temperaturprofil für einen festzulegenden Nennbetrieb zu definieren und einwirkende Umgebungsparameter durch die Regelung der Kühlluftgebläse zu kompensieren. Eine derartige Betriebsweise hat insbesondere bei der Verwendung von Infrarot-Strahlern den Vorteil, daß diese mit einer möglichst hohen Betriebstemperatur einen hohen Infrarot- Anteil an der abgegebenen Strahlung realisieren. Bei einem Absenken der Temperatur der Heizstrahler würde durch eine Verschiebung des Spektralbandes nur eine geringe Eindringtiefe der Strahlungsenergie in das Material der Vorformlinge erreicht werden können, wodurch eine Ausbreitung der Wärmeenergie in die inneren Bereiche des Vorformlings hinein erschwert beziehungsweise verlängert würde.

Zur Bereitstellung eines ruhigen Regelungsverhaltens wird vorgeschlagen, daß eine Veränderung der Kühlleistung bei überschreiten einer vorgebbaren Abweichung der Oberflächentemperatur von einem Sollwert durchgeführt wird.

Zur Realisierung eines geschlossenen Regelkreises ist insbesondere daran gedacht, daß die Oberflächentemperatur mindestens einiger der Vorformlinge gemessen wird.

Eine Temperaturmessung kann dadurch durchgeführt werden, daß die Oberflächentemperatur der Vorformlinge von einem Pyrometer gemessen wird.

Eine exakte Einhaltung eines vorgegebenen Temperaturprofils durch die Wandung des Vorformlings hindurch kann dadurch erreicht werden, daß die Innentemperatur mindestens einiger der Vorformlinge gemessen wird.

Eine Temperaturmessung kann auch hier dadurch erfolgen, daß die Innentemperatur mindestens einiger der Vorformlinge von einem Pyrometer gemessen wird.

Eine gerätetechnisch einfache Realisierung der Messung der Innentemperatur kann dadurch erfolgen, daß das Pyrometer zur Durchführung der Messung mindestens bereichsweise in einen Innenraum des Vorformlings eingefahren wird.

Zur effektiven Temperierung einer großen Anzahl von Vorformlingen je Zeiteinheit wird vorgeschlagen, daß die Vorformlinge an räumlich ortsfesten Heizelementen vorbeitransportiert werden.

Eine konstruktiv einfache Erzeugung der Bewegung des Pyrometers für die Messung der Innentemperatur kann dadurch erfolgen, daß das Einfahren und Ausfahren eines Pyrometers in den Innenraum des Vorformlings mechanisch von der Transportbewegung der Vorformlinge abgeleitet wird.

Zur Gewährleistung einer möglichst optimalen Ausnutzung der Kapazität der eingesetzten Heizelemente wird vorgeschlagen, daß eine Innentemperatur der Vorformlinge über die Heizelemente und eine Außentemperatur der Vorformlinge über die Gebläse geregelt wird.

Ein verbessertes Regelungsverhalten kann dadurch realisiert werden, daß eine Temperaturträgheit des Materials der Vorformlinge durch ein in die Regelung implementiertes mathematisches Model der Regelungsstrecke kompensiert wird.

Zur Gewährleistung einer Vermeidung von anhaltenden Regelabweichungen wird vorgeschlagen, daß mindestens einer der verwendeten Regler mit einem Integral-Anteil versehen wird.

Eine effektive Durchführung der Beheizung der Vorformlinge wird dadurch unterstützt, daß die Vorformlinge von Infrarot-Strahlung beheizt werden.

Zur Unterstützung einer Herstellung von Behältern mit komplizierteren Konturen wird vorgeschlagen, daß die Vorformlinge mit einem Temperaturprofil in ihrer Längsrichtung versehen werden.

Ebenfalls erweist es sich bei der Herstellung von Behältern mit Querschnittformen, die von einer Kreiskontur abweichen, als vorteilhaft, daß die Vorformlinge mit einem Temperaturprofil in ihrer Umfangsrichtung versehen werden.

Geringe Abweichungen von vorgegebenen Sollwerten können dadurch erreicht werden, daß bei einer Veränderung der Heizstrahlung unter Berücksichtigung der Temperatureigenschaften der Vorformlinge gleichzeitig eine Veränderung der Kühlleistung vor einem Auftreten einer Regelungsabweichung durchgeführt wird.

Eine effektive Maßnahme zur Beeinflussung der Kühlleistung besteht darin, daß die Kühlleistung durch eine Regelung der Drehzahl der eingesetzten Kühlgebläse verändert wird.

Zur Gewährleistung einer lang andauernden Betriebsfähigkeit der Kühlluftgebläse wird vorgeschlagen, daß die Lüfterleistung auf minimale und maximale Werte begrenzt wird.

Eine weitere Verbesserung der Regelungsqualität kann dadurch erreicht werden, daß eine Kaskadenregelung realisiert wird.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Blasstation zur Herstellung von Behältern aus Vorformlingen,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Blasform, in der ein Vorformling gereckt und expandiert wird,

Fig. 3 eine Skizze zur Veranschaulichung eines grundsätzlichen Aufbaus einer Vorrichtung zur Blasformung von Behältern,

Fig. 4 eine Heizeinrichtung mit einem rotierenden Heizrad sowie einer Mehrzahl von Heizelementen sowie Kühlluftgebläsen,

Fig. 5 eine Draufsicht auf eine Heizeinrichtung mit einer umlaufenden Transportkette sowie einer Vielzahl von Heizelementen und Kühlluftgebläsen,

Fig. 6 einen Querschnitt durch eine Heizeinrichtung, bei der ein Vorformling zwischen einem Heizelement und einem Reflektor angeordnet ist,

Fig. 7 eine Draufsicht auf eine Heizeinrichtung, bei der die Vorformlinge von kettenartigen Transportelementen an Heizelementen vorbeigeführt werden,

Fig. 8 ein schematisches Blockschaltbild zur Regelung der Heizelemente und der Kühlluftgebläse,

Fig. 9 ein Blockschaltbild einer gegenüber Fig. 8 modifizierten Regelung und

Fig. 10 eine gegenüber dem Blockschaltbild in Fig. 8 nochmals modifizierte Regelungsvariante.

Der prinzipielle Aufbau einer Vorrichtung zur Umformung von Vorformlingen (1) in Behälter (13) ist in Fig. 1 und in Fig. 2 dargestellt.

Die Vorrichtung zur Formung des Behälters (13) besteht im wesentlichen aus einer Blasstation (33), die mit einer Blasform (34) versehen ist, in die ein Vorformling (1) einsetzbar ist. Der Vorformling (1) kann ein spritzgegossenes Teil aus Polyethylenterephthalat sein. Zur Ermöglichung eines Einsetzens des Vorformlings (1) in die Blasform (34) und zur Ermöglichung eines Herausnehmens des fertigen Behälters besteht die Blasform (34) aus Formhälften (35, 36) und einem Bodenteil (37), der von einer Hubvorrichtung (38) positionierbar ist. Der Vorformling (1) kann im Bereich der Blasstation (33) von einem Transportdorn (39) gehalten sein, der gemeinsam mit dem Vorformling (1) eine Mehrzahl von Behandlungsstationen innerhalb der Vorrichtung durchläuft. Es ist aber auch möglich, den Vorformling (1) beispielsweise über Zangen oder andere Handhabungsmittel direkt in die Blasform (34) einzusetzen.

Zur Ermöglichung einer Druckluftzuleitung ist unterhalb des Transportdornes (39) ein Anschlußkolben (40) angeordnet, der dem Vorformling (1) Druckluft zuführt und gleichzeitig eine Abdichtung relativ zum Transportdorn (39) vornimmt. Bei einer abgewandelten Konstruktion ist es grundsätzlich aber auch denkbar, feste Druckluftzuleitungen zu verwenden.

Eine Reckung des Vorformlings (1) erfolgt mit Hilfe einer Reckstange (41), die von einem Zylinder (42) positioniert wird. Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, eine mechanische Positionierung der Reckstange (41) über Kurvensegmente durchzuführen, die von Abgriffrollen beaufschlagt sind. Die Verwendung von Kurvensegmenten ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn eine Mehrzahl von Blasstationen (33) auf einem rotierenden Blasrad angeordnet sind. Eine Verwendung von Zylindern (42) ist zweckmäßig, wenn ortsfest angeordnete Blasstationen (33) vorgesehen sind.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist das Recksystem derart ausgebildet, daß eine Tandem- Anordnung von zwei Zylindern (42) bereitgestellt ist. Von einem Primärzylinder (43) wird die Reckstange (41) zunächst vor Beginn des eigentlichen Reckvorganges bis in den Bereich des Bodens des Vorformlings (1) gefahren. Während des eigentlichen Reckvorganges wird der Primärzylinder (43) mit ausgefahrener Reckstange gemeinsam mit einem den Primärzylinder (43) tragenden Schlitten (44) von einem Sekundärzylinder (45) oder über eine Kurvensteuerung positioniert. Insbesondere ist daran gedacht, den Sekundärzylinder (45) derart kurvengesteuert einzusetzen, daß von einer Führungsrolle (46), die während der Durchführung des Reckvorganges an einer Kurvenbahn entlang gleitet, eine jeweilige Reckposition vorgegeben wird. Die Führungsrolle (46) wird vom Sekundärzylinder (45) gegen die Führungsbahn gedrückt. Der Schlitten (44) gleitet entlang von zwei Führungselementen (47).

Nach einem Schließen der im Bereich von Trägern (48, 49) angeordneten Formhälften (35,26) erfolgt eine Verriegelung der Träger (48, 49) relativ zueinander mit Hilfe einer Verriegelungseinrichtung (50).

Zur Anpassung an unterschiedliche Formen des Mündungsabschnittes ist gemäß Fig. 2 die Verwendung separater Gewindeeinsätze (51) im Bereich der Blasform (34) vorgesehen.

Fig. 2 zeigt zusätzlich zum geblasenen Behälter (13) auch gestrichelt eingezeichnet den Vorformling (1) und schematisch eine sich entwickelnde Behälterblase (14).

Fig. 3 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer Blasmaschine, die mit einem rotierenden Heizrad (52) sowie einem rotierenden Blasrad (53) versehen ist. Ausgehend von einer Vorformlingseingabe (54) werden die Vorformlinge (1) von Übergaberädern (55, 56) in den Bereich des Heizrades (52) transportiert. Entlang des Heizrades (52) sind Heizstrahler (57) sowie Gebläse (58) angeordnet, um die Vorformlinge (1) zu temperieren. Nach einer ausreichenden Temperierung der Vorformlinge (1) werden diese an das Blasrad (53) übergeben, in dessen Bereich die Blasstationen (33) angeordnet sind. Die fertig geblasenen Behälter (13) werden von weiteren Übergaberädern einer Ausgabestrecke (59) zugeführt.

Um einen Vorformling (1) derart in einen Behälter (13) umformen zu können, daß der Behälter (13) Materialeigenschaften aufweist, die eine lange Verwendungsfähigkeit von innerhalb des Behälters (13) abgefüllten Lebensmitteln, insbesondere von Getränken, gewährleisten, müssen spezielle Verfahrensschritte bei der Beheizung und Orientierung der Vorformlinge (1) eingehalten werden. Darüber hinaus können vorteilhafte Wirkungen durch Einhaltung spezieller Dimensionierungsvorschriften erzielt werden.

Als thermoplastisches Material können unterschiedliche Kunststoffe verwendet werden. Einsatzfähig sind beispielsweise PET, PEN oder PP.

Die Expansion des Vorformlings (1) während des Orientierungsvorganges erfolgt durch Druckluftzuführung. Die Druckluftzuführung ist in eine Vorblasphase, in der Gas, zum Beispiel Preßluft, mit einem niedrigen Druckniveau zugeführt wird und eine sich anschließende Hauptblasphase unterteilt, in der Gas mit einem höheren Druckniveau zugeführt wird. Während der Vorblasphase wird typischerweise Druckluft mit einem Druck im Intervall von 10 bar bis 25 bar verwendet und während der Hauptblasphase wird Druckluft mit einem Druck im Intervall von 25 bar bis 40 bar zugeführt.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform, bei der ähnlich zu Fig. 3 eine Vielzahl von Heizelementen (57) und Gebläsen (58) entlang des Umfanges des Heizrades (52) angeordnet sind. Bezüglich eines Transportweges (60) sind gegenüberliegend zu den Heizelemente (57) Reflektoren (61) angeordnet. Das Heizrad (52) dreht sich dabei in einer Umlaufrichtung (62).

Die Gebläse (58) sind jeweils zwischen zwei Heizelementen (57) angeordnet. Darüber hinaus sind auch die Heizelemente (57) selbst mit Gebläsen (63) ausgestattet, um insbesondere eine Kühlung von Strahlerröhren der Heizelemente (57) zu gewährleisten. Über Gebläse (64), die in Umlaufrichtung (62) vor bzw. hinter den Heizelementen (57) angeordnet sind, kann eine selektive Kühlung vorgegebener Bereiche der Vorformlinge (1) erfolgen. Insbesondere ist daran gedacht, die Gebläse (64) mit Ausströmelementen (65) zu versehen, die in Umlaufrichtung (62) verlaufende Ausströmschlitze besitzen. Insbesondere ist daran gedacht, die Ausströmschlitze zur Kühlung eines Gewindebereiches der Vorformlinge (1) zu positionieren.

Gemäß der Ausführungsform in Fig. 5 wird statt eines rotierenden Heizrades (52) eine umlaufende Transportkette (66) verwendet. Die Verwendung einer Transportkette (66) weist den Vorteil einer größeren Freizügigkeit bei der Vorgabe des Umlaufweges auf, wodurch insbesondere bei der Verwendung einer größeren Anzahl von Heizelementen (57) der erforderliche Bauraum minimiert werden kann. Zur Kühlung der Vorformlinge (1) sowie gegebenenfalls zur Kühlung der Heizelemente (57) sind bei dieser Ausführungsform kanalartige Verteilelemente (67) verwendet, die den Heizelementen (57) gegenüberliegend angeordnet sind und in die von Gebläsen (68) Kühlluft eingeleitet wird.

Fig. 6 zeigt in einem Vertikalschnitt die Konstruktion der Einrichtung gemäß Fig. 5 in mehr Details. Es ist insbesondere erkennbar, daß das Heizelement (57) mit Strahlerröhren (69) ausgestattet ist, die von verschieblichen Tragelementen (70) gehaltert sind. Über elektrische Anschlußelemente (71) kann das Heizelement (57) mit einer nicht dargestellten Steuerung und Energieversorgung verbunden werden.

Die Transportkette (66) haltert und transportiert die Tragelemente (39) für die Vorformlinge (1). Die Transportkette (66) besteht aus einzelnen Kettenelementen, die über Verbindungselemente (72) drehbeweglich miteinander gekoppelt sind.

Das Verteilelement (67) weist im Bereich seiner dem Heizelement (57) zugewandten Begrenzung einen Reflektor (61) und Ausströmelemente (73) auf.

Fig. 7 zeigt eine Ansicht der Einrichtung gemäß Fig. 5 und Fig. 6 entsprechend Blickrichtung VII in Fig. 6 von oben. Es ist hierbei insbesondere die gelenkige Verbindung der einzelnen Elemente der Transportkette (66) durch die Verbindungselemente (72) erkennbar, ebenfalls ist zu sehen, daß die Heizelemente (57) in Form von modulartigen Heizkästen realisiert sind. Die Darstellung in Fig. 7 zeigt dabei eine vergrößerte Darstellung in einer Umgebung der Schnittlinie VI-VI bei gleicher Blickrichtung wie in Fig. 5.

Zur Unterstützung einer gleichmäßigen Beheizung der Vorformlinge (1) in Umfangsrichtung ist vorgesehen, die Vorformlinge (1) mindestens zeitweilig während ihrer Beheizung in Rotation zu versetzen. Bei einer Herstellung von rotationssymmetrischen Behältern (13) wird die Rotation der Vorformlinge (1) mindestens während der überwiegenden Zeit der Beheizung durchgeführt. Bei einer Herstellung von Behältern (13), die eine von einer Kreiskontur abweichende Querschnittgestaltung aufweisen, kann es sich ebenfalls als vorteilhaft erweisen, die Vorformlinge (1) nur zeitweise zu drehen oder eine schrittweise Rotation vorzusehen, um ein definiertes Temperaturprofil in Umfangsrichtung zu erzeugen.

Fig. 8 zeigt ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer Regelungsvariante für die Heizelemente (57) sowie die Gebläse (58, 68). Der Regelstrecke wird ein Sollwert (74) für eine Außentemperatur (75) des Vorformlings (1) zugeführt, wobei die Außentemperatur (75) die Ausgangsgröße der Regelstrecke darstellt. Die Außentemperatur (75) wird über ein Pyrometer (76) erfaßt und eine Ausgangsgröße (77) des Pyrometers (76) wird im Bereich eines Differenzbildners (78) vom Sollwert (74) abgezogen. Eine Regelabweichung (79) als Ausgangsgröße des Differenzbildners (78) wird einem Regler (80) als Eingangsgröße zugeführt. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Regler (80) als ein PI-Regler realisiert.

Eine Ausgangsgröße (81) des Reglers (80) wird zum einen einem Stellglied (82) und zum anderen einem Differenzbildner (83) zugeführt. Das Stellglied (82) setzt die Ausgangsgröße (81) des Reglers (80) in eine elektrische Energieversorgung für die Heizelemente (57) um. Dem Differenzbildner (83) wird zusätzlich zur Ausgangsgröße (81) ein Anfangswert (84) für die Heizelemente (57) zugeführt. Ein entsprechender Differenzwert (85) stellt die Eingangsgröße für einen Regler (86) dar, der im dargestellten Beispiel als ein I-Regler ausgebildet ist. Ein Ausgangswert (87) des Reglers (86) wird im Bereich eines Additionsgliedes (88) mit einer Ausgangsgröße (89) eines Verstärkers (90) verknüpft, dem als Eingangsgröße ein Sollwert (91) für die Förderleistung der Gebläse (58, 68) zugeführt wird.

Ein Ausgangswert (92) des Additionsgliedes (88) wird einem Begrenzer (93) zur Vorgabe einer maximalen und einer minimalen Drehzahl der Gebläse (58, 68) zugeführt, ein Ausgangswert (94) des Begrenzers (93) wirkt auf die Regelstrecke (95) ein, die die Charakteristika der Gebläse (58, 68) sowie das Temperaturverhalten der Vorformlinge (1) in Abhängigkeit von der Gebläseeinwirkung zusammenfaßt. Eine Ausgangsgröße (96) der Regelstrecke (95) stellt eine Komponente der Außentemperatur (75) der Vorformlinge (1) dar.

Das Stellglied (82) umfaßt die Reihenschaltung eines Verstärkers (97) sowie eines stufenweisen Integrators (98). Eine Ausgangsgröße (99) des Stellgliedes (2) wirkt auf die Heizelemente (57) ein und eine von den Heizelementen (57) als Ausgangsgröße erzeugte Wärmestrahlung (100) wird einer Regelstrecke (101) zugeführt. Die Regelstrecke (101) faßt die Charakteristika der Heizstrecke sowie das Verhalten der Vorformlinge (1) in Abhängigkeit von der Wärmestrahlung zusammen. Eine Ausgangsgröße (102) der Regelstrecke (101) stellt eine weitere Komponente für die Außentemperatur (75) der Vorformlinge (1) bereit.

Die Ausgangsgrößen (96, 102) werden im Bereich eines Differenzbildners (103) zusammengefaßt, wobei die von den Heizstrahlern (57) verursachte Erwärmung der Vorformlinge (1) um die von den Gebläsen (58, 68) verursachte Kühlung vermindert wird.

Die in Fig. 9 dargestellte Regelungsvariante umfaßt zusätzlich ein Additionsglied (14), das den Ausgangswert (81) des Reglers (80) sowie ein Differenzsignal (15) zusammenfaßt. Der Ausgangswert des Additionsgliedes (14) wird dann dem Differenzbildner (83) statt der direkten Zuführung des Ausgangswertes (81) gemäß der Ausführungsform in Fig. 8 zugeleitet.

Durch das zusätzliche Additionsglied (14) ist es möglich, das Regelungsziel gemäß Fig. 8, nämlich eine möglichst große Konstanthaltung sowohl der Ausgangsgröße (81) des Reglers (80) als auch der Außentemperatur (75) der Vorformlinge (1) zu erreichen. Gemäß der Ausführungsform in Fig. 8 wird dieses Ziel dadurch realisiert, daß zur Konstanthaltung der Oberflächentemperatur (75) eine Veränderung der Kühlleistung der Gebläse (58, 68) realisiert wird und daß hierdurch an die jeweiligen Produktionsbedingungen angepaßt eine jeweils erforderliche Kühlleistung durch die Oberflächenkühlung der Vorformlinge (1) realisiert wird.

Gemäß Fig. 9 wird das aktuelle Ausgangssignal (81) des Reglers (80) von einem Abtast-Halte-Glied überwacht. Weicht das aktuelle Ausgangssignal (81) von einem unmittelbar vorhergehenden Vergangenheitswert um ein vorgebbares Differenzsignal (15) ab, so wird der Vorgabewert für die Lüfterleistung um einen definierbaren Wert erhöht. Die hierdurch hervorgerufene verstärkte Kühlung führt dazu, daß gleichzeitig auch der Regler (80) seine Ausgangsgröße wieder anhebt und daß hierdurch die Ausgangsgröße (81) zumindest in den Bereich ihres ursprünglichen Wertes zurückkehrt.

Beim Erreichen der vorgegebenen minimalen oder maximalen Lüfterleistung, die über den Begrenzer (93) definiert ist, kann der Regelablauf solange außer Kraft gesetzt werden, bis die Lüfterleistung einen Arbeitspunkt zwischen den Grenzwerten erreicht. Während eines derartigen Betriebes erfolgt eine Temperaturregelung der Vorformlinge (1) ausschließlich über die Heizelemente (57).

Fig. 10 zeigt eine weitere Variante zur Regelung gemäß Fig. 8. Bei dieser Ausführungsform wird zur Regelung der Außentemperatur (75) des Vorformlings (1) eine Kaskadenregelung mit zwei voneinander unabhängigen Regelkreisen realisiert. Der Sollwert (74) und die Ausgangsgröße (77) des Pyrometers (76) werden hier sowohl dem Differenzbildner (78) als auch einem Differenzbildner (17) zugeführt, dessen Ausgangsgröße (18) zu einem Regler (19) geleitet wird, der bei der dargestellten Ausführungsform als PID-Regler realisiert ist. Eine Ausgangsgröße (20) des Reglers (19) wird einem Verstärker (21) zugeführt. Eine Ausgangsgröße (22) des Verstärkers (21) und die Ausgangsgröße (89) des Verstärkers (90) werden im Bereich eines Differenzbildners (23) zusammengefaßt. Eine Ausgangsgröße (24) des Differenzbildners (23) dient bei dieser Regelungsvariante als Eingangssignal für den Begrenzer (93).

Zusätzlich ist es möglich, den Regler (80) mit einer Überwachung (25) auszustatten, die insbesondere dann ein Warnsignal abgibt, wenn die Kühlleistung der Gebläse (58, 68) ihren minimalen oder ihren maximalen Wert erreicht hat und wenn in diesem Fall die Regelung der Außentemperatur (75) der Vorformlinge (1) ausschließlich über die Heizelemente (57) erfolgt. Alternativ zur Realisierung des Reglers (19) als PID-Regler ist es auch möglich, eine Realisierung als PI-Regler oder beispielsweise als PID-T1-Regler vorzunehmen.

Mit der Regelungsvariante gemäß Fig. 10 ist es insbesondere möglich, bei negativen Regelungsabweichungen eine Kompensation über den Regler (80) vorzunehmen und bei positiven Regelungsabweichungen den Ausgleich mit Hilfe des Reglers (19) durchzuführen, zumindest solange, wie noch nicht die maximalen bzw. minimalen Werte des Begrenzers (93) erreicht sind.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Temperierung von Vorformlingen aus einem thermoplastischen Material, die im Anschluß an ihre Temperierung innerhalb einer Blasform durch Einwirkung eines unter Druck stehenden Mediums in einen Behälter umgeformt werden, bei dem die Vorformlinge sowohl durch Beaufschlagung mit einer Heizstrahlung erwärmt als auch durch Anblasen mit Kühlluft zumindest im Oberflächenbereich gekühlt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität der Heizstrahlung zur Anpassung an mindestens einen Betriebsparameter geregelt wird und daß zur Kompensation einer Veränderung der Oberflächentemperatur der Vorformlinge aufgrund von einwirkenden Umgebungsparametern eine Veränderung der Intensität der Beaufschlagung der Vorformlinge mit Kühlluft derart durchgeführt wird, daß bei gleichzeitig einwirkender Heizung und Kühlung eine im wesentlichen gleichbleibende Oberflächentemperatur der Vorformlinge erreicht wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Veränderung der Kühlleistung bei Überschreiten einer vorgebbaren Abweichung der Oberflächentemperatur von einem Sollwert durchgeführt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächentemperatur mindestens einiger der Vorformlinge (1) gemessen wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächentemperatur der Vorformlinge (1) von einem Pyrometer (76) gemessen wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Innentemperatur mindestens einiger der Vorformlinge (1) gemessen wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Innentemperatur mindestens einiger der Vorformlinge von einem Pyrometer gemessen wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Pyrometer zur Durchführung der Messung mindestens bereichsweise in einen Innenraum des Vorformlings (1) eingefahren wird.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorformlinge (1) an räumlich ortsfesten Heizelementen (57) vorbeitransportiert werden.
  9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Einfahren und Ausfahren eines Pyrometers in den Innenraum des Vorformlings (1) mechanisch von der Transportbewegung der Vorformlinge abgeleitet wird.
  10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Innentemperatur der Vorformlinge (1) über die Heizelemente (57) und eine Außentemperatur der Vorformlinge (1) über die Gebläse (58, 68) geregelt wird.
  11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Temperaturträgheit des Materials der Vorformlinge (1) durch ein in die Regelung implementiertes mathematisches Model der Regelungsstrecke kompensiert wird.
  12. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der verwendeten Regler mit einem Integral-Anteil versehen wird.
  13. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die vorformlinge (1) von Infrarot-Strahlung beheizt werden.
  14. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorformlinge (1) mit einem Temperaturprofil in ihrer Längsrichtung versehen werden.
  15. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorformlinge (1) mit einem Temperaturprofil in ihrer Umfangsrichtung versehen werden.
  16. 16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Veränderung der Heizstrahlung unter Berücksichtigung der Temperatureigenschaften der Vorformlinge (1) gleichzeitig eine Veränderung der Kühlleistung vor einem Auftreten einer Regelungsabweichung durchgeführt wird.
  17. 17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlleistung durch eine Regelung der Drehzahl der eingesetzten Kühlgebläse verändert wird.
  18. 18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Lüfterleistung auf minimale und maximale Werte begrenzt wird.
  19. 19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kaskadenregelung realisiert wird.
  20. 20. Vorrichtung zur Temperierung von Vorformlingen aus einem thermoplastischen Material, die mit mindestens einem Heizelement und mit mindesten einem Kühlluftgebläse versehen ist sowie die im Bereich eines Transportweges der Vorformlinge angeordnet ist, der eine Vorformlingseingabe mit einer Blasstation verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl das Heizelement (57) als auch das Kühlluftgebläse (58, 68) an eine Steuerung angeschlossen sind, die ein Meßsignal mindestens eines Temperatursensors auswertet, der eine Temperatur der Vorformlinge (1) erfaßt und daß die Steuerung für die Vorgabe eines Sollwertes für eine Förderleistung des Kühlluftgebläses (58, 68) eine Charakteristik zur näherungsweisen Konstanthaltung einer Oberflächentemperatur des Vorformlings (1) in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Sollwert aufweist.
  21. 21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung als Teil eines geschlossenen Regelkreises realisiert ist.
  22. 22. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkreis mindestens einen Regler (80, 86) mit einem Integral-Anteil aufweist.
  23. 23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkreis eine Aufschaltung für Startwerte zur Durchführung eines Hochlaufvorganges aufweist.
  24. 24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung als Kaskadenregelung ausgebildet ist.






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