ITRM20130487A1

ITRM20130487A1 - Apparato di raffreddamento post-stampaggio per preforme in termoplastica

Info

Publication number: ITRM20130487A1
Application number: IT000487A
Authority: IT
Inventors: Alberto Armellin; Sandro Serra; Michele Varaschin; Matteo Zoppas
Original assignee: Sipa Progettazione Automaz
Priority date: 2013-09-03
Filing date: 2013-09-03
Publication date: 2015-03-04
Also published as: EP3041658A1; US10046483B2; CN105658405B; CN105658405A; US20160214279A1; JP6466947B2; EP3041658B1; WO2015033273A1; CA2922903A1; CA2922903C; JP2016529143A

Description

APPARATO DI RAFFREDDAMENTO POST-STAMPAGGIO PER PREFORME IN TERMOPLASTICA.

Campo dell’invenzione

La presente invenzione si riferisce ad un impianto di produzione di contenitori in materiale termoplastico, ad esempio in PET, ed in particolare ad un apparato di raffreddamento impiegato in detti impianti.

Stato della tecnica

La produzione in numeri elevatissimi dei contenitori in termoplastica, in particolare delle bottiglie, è un processo che a partire dalla materia prima grezza, generalmente Polietilentereftalato o PET, consente di ottenere contenitori finiti di forma, anche particolarmente complessa, adatta alle più varie esigenze del mercato e particolarmente leggeri e resistenti anche se sottoposti a forti pressioni alla temperatura ambiente. Il passaggio dal PET allo stato grezzo in forma di granuli a contenitore in plastica può essere realizzato a scelta sia attraverso un processo monostadio, sia attraverso un processo bistadio.

Il processo monostadio è realizzato con un solo impianto di produzione in cui il passaggio da PET in granuli a preforma, mediante una fase di iniezione in stampi, e il passaggio da preforma a contenitore in plastica, mediante la fase di stiro– soffiaggio, avviene con continuità senza che la preforma venga completamente lasciata raffreddare fino alla temperatura ambiente. La preforma in tal modo conserva ancora parte del calore latente rimanente dalla fase di iniezione, con un considerevole risparmio energetico, poiché le preforme necessitano di minore calore per essere riportate alla temperatura idonea per il soffiaggio rispetto al caso in cui devono essere riscaldate a partire dalla temperatura ambiente. Invece, un processo cosiddetto “bistadio” è realizzato in due impianti generalmente, ma non necessariamente, separati: un impianto di produzione realizza la prima parte del processo di produzione dei contenitori con il passaggio dal PET in granuli a preforma, cioè realizza la fase di iniezione delle preforme in PET in stampi di iniezione. Nell’altro impianto di produzione si svolge la seconda parte del processo che trasforma la preforma nel contenitore finale in una soffiatrice con la tecnica dello stiro-soffiaggio, che è quella generalmente adottata oggi per soffiare contenitori in PET. Il processo bistadio può anche essere realizzato nello stesso impianto di produzione, che preveda l’iniezione delle preforme e il soffiaggio delle stesse in bottiglie, ma le due operazioni sono svolte in due tempi distinti. Le preforme vengono prima fatte raffreddare in speciali impianti di raffreddamento fino al raggiungimento della temperatura ambiente per poi essere immagazzinate in attesa di essere immesse in forni appropriati per riportarle fino alla temperatura necessaria per realizzare il processo di soffiaggio tipico della termoplastica utilizzata, o necessaria allo stiro-soffiaggio, nel caso si utilizzi il PET.

Per il trasporto delle preforme o dei contenitori formati in impianti costituiti da giostre rotative possono essere impiegate delle cosiddette stelle comprendenti una ruota girevole provvista di una serie di pinze aventi bracci estendibili muniti di ganasce. Alcuni dei problemi riguardanti questo tipo di impianti di produzione di contenitori in PET sono una maggiore capacità di automatizzazione, una maggiore affidabilità, un incremento della velocità di trasferimento delle preforme da una stazione all’altra, la riduzione dei tempi di manutenzione e soprattutto la riduzione dei tempi di produzione. Per aumentare la capacità di produzione delle preforme è necessario ricorrere a sistemi altamente robotizzati così come è necessario ridurre i tempi di permanenza delle preforme nei moduli di stampaggio ed i tempi necessari per un primo raffreddamento della preforma per renderla sufficientemente solida esternamente onde poter essere agganciata dalle pinze delle stelle di trasferimento senza pericolo di deformazione. Ridurre al minimo questi tempi può comportare il rischio di formazione di zone di cristallinità se non si dispone di un sistema di trasferimento rapido delle preforma ad un efficiente apparato di raffreddamento dove in tempi brevi la preforma possa essere riportata alla temperatura ambiente. E’ sentito pertanto il bisogno di realizzare nuovi impianti a macchine rotative per la produzione di contenitori, in particolare in PET, per andare incontro alle richieste del mercato di aumentare la produttività. E quindi, per i motivi che abbiamo detto, anche di nuovi e più efficienti impianti di raffreddamento.

Sommario dell’invenzione

Scopo della presente invenzione è di fornire un impianto per la produzione di contenitori in termoplastica, in particolare di preforme in PET che risolva i problemi sopra menzionati. Uno di questi problemi riguarda in particolare i tempi di raffreddamento delle preforme. La soluzione è un nuovo apparato di raffreddamento che possa essere impiegato in impianti rotativi di produzione di preforme ad elevata velocità di produzione, ovvero un apparato di raffreddamento di preforme in materiale termoplastico, in particolare in PET che comprende: a) una guida per le preforme definente un percorso chiuso comprendente:

- un primo tratto sostanzialmente elicoidale che si sviluppa intorno ad un asse centrale verticale, tale tratto essendo compreso fra un piano inferiore ad un piano superiore con inizio all’altezza del piano inferiore e termine all’altezza del piano superiore,

- un secondo tratto sostanzialmente rettilineo interno al tratto elicoidale che inizia dove termina il tratto elicoidale e prosegue dall’alto verso il basso terminando all’altezza del piano inferiore, ed

- un terzo tratto situato all’altezza del piano inferiore che congiunge il termine del tratto rettilineo con l’inizio del tratto elicoidale.

b) un tunnel di raffreddamento al cui interno corrono le spire del tratto elicoidale di detta guida.

Vantaggiosamente la guida è percorsa da una catena o da un cavo alla quale sono agganciate una serie di mollette che afferrano le preforme nella zona del collo o direttamente sull’apposita baga, tenendole serrate e dalle quali le preforme possono essere distaccate mediante l’applicazione di una forza di estrazione. Vantaggiosamente il tunnel di raffreddamento si presenta come un tubo di sezione rettangolare con l’asse maggiore di simmetria disposto in direzione verticale e coincidente con l’asse di simmetria delle preforme, e avente dimensioni dell’ordine delle dimensioni delle preforme, tale tubo segue lo stesso percorso elicoidale della guida contenendola. Vantaggiosamente una carenatura cilindrica a doppia parete con asse di rotazione verticale coincidente con l’asse centrale verticale della guida contiene il sistema di raffreddamento, le pareti verticali esterne del tunnel essendo formate dalla parete esterna di detta carenatura e le pareti verticali interne del tunnel di raffreddamento essendo formate dalla parete interna della carenatura, mentre le due pareti superiore e inferiore del tunnel di raffreddamento sono costituite da due nastri elicoidali che seguono il percorso della guida.

Le rivendicazioni indipendenti descrivono realizzazioni preferite dell’invenzione, formando parte integrante della presente descrizione.

Breve descrizione delle Figure

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno maggiormente evidenti alla luce di una descrizione dettagliata di una forma preferita di realizzazione ma non esclusiva, descritta in funzione di un apparato per la produzione di contenitori in plastica del tipo a inietto-compressione, illustrato a titolo esemplificativo e non limitativo, con l’ausilio delle unite tavole di disegno in cui:

la Fig. 1 rappresenta una vista schematica in pianta di un impianto di produzione di contenitori in termoplastica in cui è incorporato l’ apparato di raffreddamento secondo l’invenzione;

la Fig. 2 rappresenta una vista assonometrica di una parte dell’apparato di raffreddamento dell’invenzione;

la Fig. 3 rappresenta un'altra vista assonometrica dell’apparato di raffreddamento ruotata di 180º rispetto alla vista di Fig.2;

Le Fig.4a, 4b rappresentano due viste dell’apparato di raffreddamento;

La Fig. 5 rappresenta un tratto di tunnel di raffreddamento con preforme al suo interno.

La Fig. 6 rappresenta una vista assonometrica dell’apparato di raffreddamento dell’invenzione.

Gli stessi numeri e le stesse lettere di riferimento nelle figure identificano gli stessi elementi o componenti.

Descrizione in dettaglio di una forma di realizzazione preferita dell’invenzione La figura 1 rappresenta la vista in pianta di uno schema di impianto di produzione di contenitori in materiale termoplastico, in particolare di preforme, realizzate tipicamente in PET. Un tale impianto di produzione comprende, tipicamente, ma non esclusivamente:

a) un estrusore 1 che ha la funzione di plastificare il polimero trasformandolo dallo stato solido granulare allo stato fluido con l’apporto di energia fornita da appositi riscaldatori e dalle forze di attrito che si generano per l’azione della vite estrudente, producendo resina fusa;

b) un apparato di stampaggio che produce le preforme per inietto-compressione e che comprende una giostra rotativa 2 che può ruotare intorno ad un asse verticale ;

c) un apparato di raffreddamento 200 delle preforme prodotte.

Tra l’estrusore 1 e la giostra rotativa 2 è previsto un dispositivo di distribuzione della resina fusa prodotta dall’estrusore 1 fino a ciascuno stampo disposto sul perimetro esterno della giostra 2. Le preforme, una volta realizzate, devono quindi essere trasferite mediante giostre di trasferimento 3 per essere ulteriormente processate. Dalle preforme si realizzano bottiglie o altri contenitori per uso alimentare o non mediante un’ulteriore operazione di soffiaggio o stiro-soffiaggio. Un impianto di produzione del genere impiegando un apparato di stampaggio ad inietto compressione invece che altri apparati di stampaggio utilizzati attualmente in questo settore, offre tra gli altri il vantaggio di una produttività più elevata poiché si riesce a fare girare la giostra dell’ apparato di stampaggio a velocità di rotazione così elevate che superano la produttività oraria degli stampi a pressa alternativa di tipo convenzionale. Al termine della operazione di stampaggio è prevista la fase di raffreddamento delle preforme. Una tale configurazione, con raffreddamento intermedio è tipica di un impianto di produzione di contenitori del tipo a due stadi. Come abbiamo accennato sopra, l’operazione di raffreddamento è un’operazione delicata in considerazione anche dei tempi di produzione che ovviamente devono tendere a decrescere. In una preforma, come è naturale, le superficie esterne si raffreddano prima del “cuore” interno, che tende a rimanere caldo con il rischio di riscaldare nuovamente la superficie esterna della preforma una volta che questa sia stata tolta dal modulo di stampaggio, il che può portare a seri difetti di fabbricazione che ne provocano lo scarto. Onde evitare questi problemi è necessario che il raffreddamento avvenga in tempi brevi fuori dagli stampi di inietto-compressione. Il mantenimento delle preforme nelle cavità di stampaggio allunga in modo non accettabile i tempi di produzione. E’ quindi necessario che le preforme parzialmente raffreddate nelle cavità di stampaggio siano estratte da dette cavità non appena siano in grado, ovvero siano abbastanza solide, di essere trasportate dalla stella di trasferimento 3 ad un apparato di raffreddamento 200 dove devono essere raffreddate fino a temperatura ambiente in modo rapido ed efficiente. La stella di trasferimento 3 è dotata alla sua periferia di pinze per afferrare le preforme e trasferirle in modo continuo senza dover interrompere la rotazione né della giostra rotativa dove le preforme vengono prodotte, né della giostra dove vengono raffreddate. L’apparato di raffreddamento 200 che andiamo a descrivere può essere impiegato in qualsiasi impianto di produzione di preforme non solo quindi nell’impianto di produzione 100 descritto che include un apparato di stampaggio con giostra rotativa ad inietto compressione; l’impiego in tale impianto di produzione è stato descritto solo a titolo esemplificativo, trattandosi di un impianto di produzione ad alta velocità e capacità. L’apparato di raffreddamento 200 secondo l’invenzione viene ora descritto in maggior dettaglio con riferimento alle Figure 2 e 3. L’ apparato di raffreddamento 200 è essenzialmente una struttura verticale di ingombro esterno di forma cilindrica. Questa soluzione permette un notevole risparmio di spazio se paragonata alle strutture che si sviluppano essenzialmente lungo un piano orizzontale. L’apparato di raffreddamento 200 comprende una guida 21 definente un percorso chiuso che parte a livello di un piano inferiore nel punto di ingresso indicato con la freccia A (Fig.3) seguendo un primo tratto elicoidale 29 composto da un certo numero di spire che si sviluppa in senso verticale e terminando quindi al livello di un piano superiore nel punto indicato dalla freccia B (Fig. 2). Partendo da questo punto B il percorso ritorna al piano inferiore seguendo un secondo tratto inclinato sostanzialmente rettilineo 22 (Fig. 3) all’interno di detto primo tratto elicoidale 29. Raggiunto il piano inferiore, il percorso ritorna al punto A di partenza seguendo un terzo tratto 28 sostanzialmente piano a livello del piano inferiore. Prima di raggiungere il punto A il percorso passa per una stazione 23 (Fig. 3) dove le preforme P vengono trasferite dalla stella di trasferimento 3 all’apparato di raffreddamento 200. Le spire del tratto elicoidale 29 hanno una distanza fra loro in direzione verticale, passo dell’elicoide, dell’ordine della lunghezza della preforma. La guida 21 è percorsa da una catena 24 o da un cavo alla quale sono agganciate una serie di mollette 25 che possono afferrare le preforme nella zona del collo o direttamente sull’apposita baga, tenendole serrate e dalle quali le preforme possono essere distaccate mediante l’applicazione di una forza di estrazione. La catena 24 segue detto percorso chiuso. Le preforme P già parzialmente raffreddate nelle cavità di stampaggio e trasportate dalla stella di trasferimento 3 vengono agganciate dalle mollette 25 all’altezza della stazione 23 , percorrono quindi la guida 21 e raggiungono di nuovo, dopo essere state raffreddate, il tratto 28 dove sono presenti uno o più dispositivi che sganciano le preforme P dalle mollette 25 convogliandole successivamente verso una zona di stoccaggio o di ulteriore trattamento, a seconda di quanto previsto nel progetto dell’impianto di produzione.

Per aumentare maggiormente l’efficienza del processo di raffreddamento delle preforme l’apparato di raffreddamento 200 comprende una carenatura 30 di contenimento del flusso dell’aria di raffreddamento, vedi Fig. 4a. Tale carenatura 30 è formata da due cilindri verticali coassiali uno esterno 31 e l’altro interno 32 aventi una differenza di diametro tale da poter contenere, all’interno dell’intercapedine 33 formata dalle loro pareti, le spire del tratto elicoidale 29 della guida 21 e le preforme che percorrono tale tratto. Il tratto elicoidale 29 contenuto fra le pareti dei due cilindri coassiali corre all’interno di un apposito tunnel che serve a convogliare l’aria di raffreddamento. Il tunnel di raffreddamento, un cui tratto è rappresentato in Fig. 5, è essenzialmente un tubo di sezione rettangolare che segue lo stesso percorso del tratto elicoidale 29 della guida 21 contenendolo. L’asse di simmetria maggiore S della sezione rettangolare del tunnel si trova in posizione verticale ed è parallelo all’’asse di simmetria delle preforme P. Le dimensioni del tunnel di raffreddamento sono dell’ordine delle dimensioni delle preforme P. ll tunnel è formato dalle pareti verticali del cilindro esterno 31 e di quello interno 32 che costituiscono la carenatura 30, e da due nastri metallici 34 e 35 che seguono il tratto elicoidale 29 della guida 21 e che definiscono le pareti inferiore e superiore del tunnel di raffreddamento.

Il tunnel di raffreddamento consente di convogliare l’aria di raffreddamento onde ottenere un raffreddamento più efficace e veloce. La velocità di raffreddamento dipenderà dalla portata dell’aria all’ingresso e dalla sua temperatura iniziale. Per l’ingresso dell’aria di raffreddamento è previsto un collettore 26 provvisto di un condotto verticale all’interno della carenatura 30, disposto parallelamente a detto asse centrale verticale. Il collettore 26 riceve l’aria di raffreddamento da appositi impianti non rappresentati nelle figure. Dalle pareti verticali del collettore 26 fuoriescono delle condotte orizzontali 27 terminanti con delle bocche d’aria, vedi Fig. 2, 3, e Fig. 6, che convogliano l’aria fredda dal collettore 26 all’interno del tunnel di raffreddamento verso le preforme P attraverso la parete del cilindro interno 32 della carenatura 30. Le bocche d’aria per l’entrata dell’aria di raffreddamento sono situate fra una spira e l’altra del tratto elicoidale 29 della guida 21, in modo che l’aria fredda possa investire le preforme P per tutta la loro lunghezza. La Fig. 6 mostra il collettore 26 con le condotte orizzontali 27 per l’entrata dell’aria fredda nel tunnel di raffreddamento, mentre con il riferimento 36 sono indicate le bocche di uscita dell’aria situate in posizione quasi diametralmente opposta rispetto a quelle per l’ entrata dell’aria di raffreddamento ed a valle rispetto a quelle.

Anche le bocche di uscita dell’aria 36 sono poste sulla parete del cilindro interno 32 della carenatura 30. La posizione reciproca delle entrate e delle uscite per l’aria produce un percorso fluidodinamico particolarmente vantaggioso del fluido di raffreddamento ottenendone una maggiore efficienza. A causa della naturale differenza di pressione fra l’aria in entrata e quella in uscita, il flusso di aria investe le preforme in controcorrente per mezza spira ed in equicorrente per l’altra mezza rispetto al movimento delle preforme P che percorrono il tratto elicoidale 29 della guida 21 dal basso verso l’alto. Il tunnel di raffreddamento ed il modo in cui l’aria entra ed esce dal tunnel fra una spira e l’altra aumenta l’efficienza energetica del flusso dell’aria di raffreddamento creando dei percorsi di raffreddamento che lambiscono in modo opportuno le preforme che percorrono il tratto elicoidale 29 della guida 21 assicurando in tal modo un raffreddamento uniforme. La velocità di uscita dell’aria, specie in caso di utilizzo di preforme super leggere per bottiglie di piccole dimensioni, viene determinata in modo tale che le preforme P a causa della loro leggerezza non possano oscillare in modo tale da rischiare di non poter essere prese dalle pinze al momento del loro rilascio.

La velocità di uscita del flusso d’aria dipende dalle caratteristiche del flusso d’aria in entrata. Variando questi fattori è possibile raffreddare efficacemente preforme di diverso peso e dimensione. La carenatura, ovvero la torre cilindrica formante il tunnel di raffreddamento, permette di ottenere tempi di raffreddamento molto inferiori rispetto ad un sistema classico a binario in aria ambiente. La lunghezza del tratto elicoidale 29 della guida 21 è determinata in base alle necessità di raffreddamento delle preforme, per esempio alla quantità oraria di unità da raffreddare, alla temperatura di ingresso, allo spessore del materiale che costituisce le preforme. In base a questi dati, la lunghezza è facilmente determinabile da un tecnico del ramo. Il sistema descritto presenta una notevole flessibilità, oltre alla capacità di ottenere un raffreddamento rapido ed efficace, in quanto permette di usare lo stesso sistema per la produzione di preforme di diverso peso e dimensione variando semplicemente i parametri fisici del flusso di raffreddamento in entrata. Tutto il sistema può eventualmente essere dimensionato facilmente mediante analisi fluidodinamica.

Claims

Rivendicazioni 1.- Apparato di raffreddamento di preforme (P) in materiale termoplastico, in particolare di preforme in PET che comprende: - una guida (21) per le preforme (P) definente un percorso di raffreddamento comprendente: - un primo tratto sostanzialmente elicoidale (29) che si sviluppa intorno ad un asse centrale verticale, detto primo tratto essendo compreso fra un piano inferiore ad un piano superiore, con inizio (A) all’altezza del piano inferiore e termine (B) all’altezza del piano superiore, - un secondo tratto sostanzialmente rettilineo (22) disposto internamente al tratto elicoidale (29) che inizia (B) dove termina il primo tratto e prosegue dall’alto verso il basso terminando all’altezza del piano inferiore, e - un terzo tratto (28) situato all’altezza del piano inferiore che congiunge il termine (B) del secondo tratto (22) con l’inizio (A) del primo tratto (29), - un tunnel elicoidale al cui interno corrono le spire del primo tratto (29) di detta guida (21).
2.- Apparato secondo la rivendicazione 1, in cui la guida (21) è percorsa lungo tutto detto percorso di raffreddamento da una catena o da un cavo (24) alla quale è agganciata una pluralità di mollette (25) per afferrare le preforme (P).
3.- Apparato secondo la rivendicazione 2, in cui lungo detto percorso di raffreddamento nei pressi dell’inizio (A) del tratto elicoidale (29) è situata una stazione (23) di aggancio per mezzo delle mollette (25) delle preforme (P) convogliate da mezzi di alimentazione e dove successivamente al processo di raffreddamento possono essere rilasciate per essere agganciate da altri mezzi di trasferimento.
4.- Apparato secondo la rivendicazione 3, in cui il tunnel elicoidale è costituito da una carenatura (30) costituita da un cilindro esterno (31) e da un cilindro interno (32) coassiali con l’asse centrale verticale.
5.- Apparato secondo la rivendicazione 4 in cui il tunnel elicoidale ha una sezione trasversale rettangolare, tale sezione avendo i lati più lunghi paralleli a detto asse centrale verticale e dimensioni tali da poter consentire il passaggio delle preforme (P).
6.- Apparato secondo la rivendicazione 5, in cui le due pareti orizzontali del tunnel di raffreddamento che formano il pavimento ed il soffitto dello stesso, sono formate da due nastri elicoidali (34, 35) parallele al tratto elicoidale (29) della guida (21).
7.- Apparato secondo la rivendicazione 6, in cui un collettore (26) formato da un condotto verticale interno alla carenatura e parallelo a detto asse centrale verticale riceve l’ aria di raffreddamento da appositi impianti esterni e la convoglia in detto tunnel elicoidale.
8.- Apparato secondo la rivendicazione 7 in cui il condotto verticale del collettore (26) è provvisto di condotte orizzontali (27) terminanti ognuna con una bocca d’aria situata sulla parete del cilindro interno (32) di detta carenatura (30) fra una spira e l’altra del primo tratto (29) della guida (21).
9.- Apparato secondo la rivendicazione 8 in cui sono previsti mezzi capaci di fare percorrere al flusso di aria iniettato nel tunnel di raffreddamento un percorso in senso contrario rispetto ad una direzione di movimento delle preforme (P).
10. Apparato secondo la rivendicazione 11 in cui sono previste delle bocche di uscita (36) dell’aria di raffreddamento situate sulla parete del cilindro interno (32) ognuna di queste uscite trovandosi a valle rispetto alla bocca corrispondente per l’entrata dell’aria e in posizione circa diametralmente opposta rispetto a quella.
11. Apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui sono previsti mezzi di regolazione di parametri fisici del flusso di fluido di raffreddamento capaci di dare a tali parametri fisici all’entrata del tunnel un valore massimo che eviti di causare movimenti delle preforme (P) che possano impedire o rendere insicura la loro presa al momento dell’afferraggio e al momento del rilascio.
12. Apparato secondo la rivendicazione 11, in cui i parametri fisici del flusso d’aria di raffreddamento all’entrata del tunnel di raffreddamento sono determinati in funzione delle dimensioni e del peso delle preforme e della velocità di raffreddamento.
13. Apparato secondo la rivendicazione 12, adatto a gestire preforme di peso inferiore a 16g e con corpo avente diametro molto inferiore al diametro del collo.