專利名稱：一種加熱預(yù)成型件的方法,一種驅(qū)動(dòng)裝置,一種預(yù)成型件加熱系統(tǒng)以及一種計(jì)算機(jī)程序的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明描述了ー種加熱預(yù)成型件的方法。本發(fā)明還描述了ー種驅(qū)動(dòng)裝置、ー種預(yù)成型件加熱系統(tǒng)以及ー種用于加熱預(yù)成型件的計(jì)算機(jī)程序。
背景技術(shù)：
現(xiàn)今，大多數(shù)飲料容器是諸如PET (聚對(duì)苯ニ甲酸こニ醇酯)之類的材料的輕量塑料瓶，該塑料瓶以兩步驟エ藝制造。在第一步驟中，用原材料創(chuàng)建所謂的中空的“預(yù)成型件”，例如通過緩慢、高溫?cái)D出エ藝來創(chuàng)建。在第二步驟中，這些中空預(yù)成型件的“壁”再次被加熱(此次加熱至它們的再結(jié)晶點(diǎn)以下的溫度，即在大約130°C以下)，然后經(jīng)由吹塑而形成為期望的瓶形狀。在最先進(jìn)的現(xiàn)有技術(shù)的預(yù)成型件加熱爐中，這種加熱是使用鹵素?zé)魜韺?shí)施的，對(duì)于所述鹵素?zé)舳?，寬發(fā)射光譜中的顯著部分位于紅外區(qū)域中。在加熱エ藝期間，熱能“沉積”在預(yù)成型材料中。盡管紅外加熱技術(shù)在技術(shù)上得到良好發(fā)展，但是其具有能效受限的缺點(diǎn)。能效低的ー個(gè)原因是鹵素?zé)舭l(fā)射的輻射不能被有效地引導(dǎo)或聚焦。然而，主要的原因是鹵素?zé)舻陌l(fā)射光譜與預(yù)成型材料的吸收光譜的較差匹配，這導(dǎo)致在預(yù)成型件的不適當(dāng)區(qū)域中的能量吸收，例如在它的外表面中的能量吸收。這導(dǎo)致在預(yù)成型件壁的ー些區(qū)域中更高的溫度，而其它區(qū)域被不充分加熱。例如預(yù)成型件的外表面可以變得非常熱，而內(nèi)表面被不充分加熱。此外，由于材料的熱導(dǎo)率的緣故，在預(yù)成型件的壁內(nèi)沉積的能量的分布并不一定導(dǎo)致相同的溫度分布。這樣的溫度梯度或者熱點(diǎn)使得難以確保后續(xù)的吹塑階段的均勻質(zhì)量，并且甚至可以導(dǎo)致對(duì)預(yù)成型件外表面的損壞。因此，一些現(xiàn)有技術(shù)的エ藝甚至在加熱エ藝期間采取(resort)對(duì)預(yù)成型件的附加冷卻(例如借助于強(qiáng)制通風(fēng)冷卻)；從能量消耗的觀點(diǎn)來看顯然是昂貴且低效的措施，且因此并不理想?？商娲兀诂F(xiàn)有技術(shù)的爐中，不想要的溫度梯度可以借助“平衡階段”(即，在預(yù)成型材料內(nèi)部的熱傳導(dǎo)應(yīng)導(dǎo)致在預(yù)成型件壁中的溫度的均衡的時(shí)間延遲)來處理。這些平衡階段典型地耗費(fèi)數(shù)秒(多達(dá)10秒)。然而，將這些階段包括在加熱エ藝中意味著總エ藝時(shí)間延長(zhǎng)，從而提高預(yù)成型件加熱エ藝的總成本。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種避免上述問題的更經(jīng)濟(jì)有效的預(yù)成型件加熱エ藝。本發(fā)明的該目的借助于根據(jù)權(quán)利要求I的加熱預(yù)成型件的方法和根據(jù)權(quán)利要求10的驅(qū)動(dòng)裝置來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明，加熱用半徑、材料厚度和預(yù)成型件材料吸收光譜表征的預(yù)成型件的方法包括步驟基于期望的溫度廓線、預(yù)成型件半徑以及材料厚度選擇預(yù)成型件的期望有效吸收系數(shù)；以及產(chǎn)生具有基于吸收光譜的吸收系數(shù)(即，基于吸收光譜的至少ー個(gè)吸收系數(shù))編譯的波長(zhǎng)譜的激光輻射束，以滿足有效吸收系數(shù)。該方法還包括步驟將激光輻射束引導(dǎo)至預(yù)成型件處以加熱預(yù)成型件。這里，預(yù)成型件被理解為任何“預(yù)成型的”物體或エ件，優(yōu)選地為圓柱形且中空的，其將被加熱以便被軟化以用于后續(xù)的吹塑步驟。這樣的預(yù)成型件的例子可以是基本上圓柱形中空的PET元件，飲料容器將由該元件制成。此外，“有效吸收系數(shù)”可以被看作在光的特定波長(zhǎng)下預(yù)成型件材料的吸收光譜的吸收系數(shù)的函數(shù)。激光輻射的術(shù)語(yǔ)“波長(zhǎng)譜”被理解成意為具有它們的相對(duì)強(qiáng)度的激光輻射束的輻射波長(zhǎng)的“集合”，不論這些是離散波長(zhǎng)還是覆蓋連續(xù)范圍的波長(zhǎng)范圍。由于光子的波長(zhǎng)同樣可以借助其能量或頻率來描述，因此激光輻射的術(shù)語(yǔ)“能量譜”或“頻譜”可以被認(rèn)為等同于術(shù)語(yǔ)“波長(zhǎng)譜”。因此，如下面將闡述的，波長(zhǎng)譜可以例如通過選擇具有適當(dāng)波長(zhǎng)或波長(zhǎng)范圍的激光輻射源并混合或疊加來自這些激光輻射源的處于合適強(qiáng)度水平的輻射來“編譯”。有效吸收系數(shù)被理解成等同于針對(duì)入射輻射光譜的實(shí)際吸收(例如在預(yù)成型件中)，該實(shí)際吸收是針對(duì)所有的相關(guān)輻射波長(zhǎng)而計(jì)算的。針對(duì)給定輻射光譜的有效吸收系數(shù)a6ff可以用下面的公式表達(dá)

a# =--*ln wk *exp(-a^ *r)
(I)其中，t是材料厚度(在這種情況下為預(yù)成型件的壁厚度)，X是激光輻射分量的波長(zhǎng)，a A是該材料在該波長(zhǎng)(例如，從用于該材料的吸收譜獲得)下的已知吸收系數(shù)，且Wa是針對(duì)該波長(zhǎng)的加權(quán)因子。在公式(I)中，假定在離散波長(zhǎng)下吸收，并且有效吸收系數(shù)被表達(dá)為和。明顯地，該吸收同樣能夠良好地在波長(zhǎng)連續(xù)范圍內(nèi)進(jìn)行，在這種情況下，有效吸收系數(shù)將被表達(dá)為對(duì)應(yīng)的積分。在任ー情況下，所有加權(quán)因子一起的總和應(yīng)當(dāng)為ー或?yàn)镮. O。通過適當(dāng)選擇波長(zhǎng)和/或要使用的針對(duì)每個(gè)波長(zhǎng)的加權(quán)因子，公式⑴可以被反向使用，即，用來“編譯”或者“組裝”導(dǎo)致具有期望值的有效吸收系數(shù)的輻射光譜，例如借助于被吸收的能量的某個(gè)期望分布而確定。有效吸收系數(shù)的“分辨率”在一定程度上可以取決于可用的激光輻射源的能力以及這些能力可以與被加熱的材料的吸收系數(shù)匹配得有多好。顯然，當(dāng)使用包括許多不同地調(diào)諧的単獨(dú)激光輻射源的激光輻射源時(shí)，可以在導(dǎo)致在材料中適當(dāng)吸收波長(zhǎng)處產(chǎn)生輻射，使得期望的有效吸收系數(shù)a rff能夠被高精度地再現(xiàn)。然而，即使在僅具有有限數(shù)量的可用波長(zhǎng)的系統(tǒng)中，由加權(quán)因子提供的自由度可以被運(yùn)用達(dá)到良好效果以獲得對(duì)有效吸收系數(shù)a eff的期望的值的接近近似值。根據(jù)本發(fā)明的方法的優(yōu)點(diǎn)在于包含在激光輻射束中并應(yīng)用于預(yù)成型件的能量將被最優(yōu)地沉積，即被預(yù)成型件吸收。相比于現(xiàn)有的加熱技術(shù)，在根據(jù)本發(fā)明的方法中，能量更均勻地、優(yōu)選地基本均勻地沉積在整個(gè)預(yù)成型件材料上。因?yàn)轭A(yù)成型件的有效吸收系數(shù)是基于預(yù)成型件的半徑和材料厚度來選擇的，所以有效吸收系數(shù)精確地適合這種類型的預(yù)成型件。使用這個(gè)有效系數(shù)作為靶子或目標(biāo)，那么“編譯”包括激光輻射波長(zhǎng)譜的激光輻射束是可能的，該激光輻射束在被引導(dǎo)至預(yù)成型件處時(shí)將根據(jù)有效吸收系數(shù)來加熱預(yù)成型件。
令人驚訝地是，已經(jīng)觀察到，實(shí)現(xiàn)在預(yù)成型件壁中的期望的溫度廓線所必需的有效吸收系數(shù)不一定與記錄在該預(yù)成型件材料的吸收光譜中的最大吸收的值相一致。因此，有效吸收系數(shù)(以及其他參數(shù))可以優(yōu)選地被選擇成使得能量吸收密度在整個(gè)預(yù)成型件體上是基本均勻的。相比現(xiàn)有技術(shù)的方案，這允許更有能效的加熱エ藝，而在現(xiàn)有技術(shù)的方案中，在預(yù)成型件的方向上輻射過量的紅外能量，但是該紅外能量在很大程度上被浪費(fèi)。此外，使用根據(jù)本發(fā)明的方法，避免了預(yù)成型件的區(qū)域中的局部過熱，使得無需現(xiàn)有技術(shù)的方案所需要的低效且昂貴的冷卻。根據(jù)本發(fā)明的用于控制預(yù)成型件加熱系統(tǒng)的激光輻射產(chǎn)生單元的驅(qū)動(dòng)裝置包括用于獲得預(yù)成型件幾何參數(shù)、預(yù)成型件吸收光譜和預(yù)成型件的期望的溫度廓線或溫度梯度 的輸入接ロ ；和選擇裝置，用于基于預(yù)成型件幾何參數(shù)和期望溫度廓線選擇有效吸收系數(shù)；和激光參數(shù)編譯器模塊，用于基于預(yù)成型件材料的對(duì)應(yīng)吸收系數(shù)編譯激光波長(zhǎng)譜來滿足有效吸收系數(shù)，且用于基于期望的相對(duì)有效吸收系數(shù)來選擇激光輻射束的激光束寬度。該驅(qū)動(dòng)裝置還包括輸出接ロ，其用于向激光輻射產(chǎn)生単元提供涉及所選擇的激光輻射波長(zhǎng)譜和激光束寬度的控制信號(hào)。從屬權(quán)利要求和后續(xù)的描述公開了本發(fā)明的特別有利的實(shí)施例和特征。由于有效吸收系數(shù)取決于預(yù)成型件的半徑，因此有效吸收系數(shù)優(yōu)選地以兩步驟的方式導(dǎo)出在第一步驟中，基于期望的溫度廓線、預(yù)成型件半徑以及材料厚度來選擇預(yù)成型件的期望的相對(duì)有效吸收系數(shù)。在第二步驟中，隨后從相對(duì)有效吸收系數(shù)導(dǎo)出有效吸收系數(shù)。術(shù)語(yǔ)“相對(duì)有效吸收系數(shù)”(a eff R)被理解成是有效吸收系數(shù)a eff乘以預(yù)成型件的半徑R。它是給出了對(duì)熱能被預(yù)成型件吸收的方式的指示的值。相對(duì)有效吸收系數(shù)值的集合可以獨(dú)立于預(yù)成型件的材料而被確定，并且可以被可視化為點(diǎn)空間內(nèi)的點(diǎn)的區(qū)域，該點(diǎn)空間由借助于預(yù)成型件厚度與預(yù)成型件半徑的比率以及借助于激光輻射束寬度與預(yù)成型件半徑的比率而給定的范圍界定。稍后將借助于圖表來更詳細(xì)地說明這一點(diǎn)。相應(yīng)地，驅(qū)動(dòng)裝置的選擇裝置優(yōu)選地包括選擇模塊，用于基于預(yù)成型件幾何參數(shù)和期望的溫度廓線來選擇相對(duì)有效吸收系數(shù)；以及導(dǎo)出模塊，用于從相對(duì)有效吸收系數(shù)導(dǎo)出有效吸收系數(shù)。雖然相對(duì)有效吸收系數(shù)可以從包含極端值(例如極窄或極寬的激光束，或者相對(duì)于半徑來說極薄或極厚的預(yù)成型件壁)的寬范圍中選擇，但是一般來說，期望的相對(duì)有效吸收系數(shù)將位于更小的實(shí)際范圍內(nèi)。因此，根據(jù)本發(fā)明，加熱預(yù)成型件的方法包括產(chǎn)生包括具有被(基于預(yù)成型件材料的吸收光譜的一個(gè)或多個(gè)吸收系數(shù))編譯的波長(zhǎng)譜的激光輻射的激光輻射束以滿足有效吸收系數(shù)，使得當(dāng)激光輻射束被引導(dǎo)至預(yù)成型件處時(shí)根據(jù)在I. 0-4. 0的范圍內(nèi)、更優(yōu)選在2. 0-3. 5的范圍內(nèi)、且最優(yōu)選在2. 5-3. 0的范圍內(nèi)的期望的相對(duì)有效吸收系數(shù)來加熱預(yù)成型件。于是對(duì)于壁既不是極厚也不是極薄的通常類型的預(yù)成型件，可以針對(duì)使用可行的激光束寬度而獲得的期望溫度廓線選擇有用的相對(duì)有效吸收系數(shù)。優(yōu)選地，如果可以利用所選擇的相對(duì)有效系數(shù)實(shí)現(xiàn)期望的溫度廓線，則該相對(duì)有效系數(shù)可以從所給定的上限中選擇，這是因?yàn)橛^察已表明，當(dāng)使用來自該上限的這樣的值作為基礎(chǔ)來編譯激光束時(shí)，這樣的值導(dǎo)致在加熱期間貫穿預(yù)成型件的非常有利的能量吸收密度。有效吸收系數(shù)能夠基于僅單個(gè)波長(zhǎng)的激光輻射來獲得；然而，使用多個(gè)激光波長(zhǎng)來編譯滿足期望的有效吸收系數(shù)的適當(dāng)?shù)墓庾V可能是更有益的，這是因?yàn)槎鄠€(gè)激光的使用允許更加靈活地調(diào)節(jié)輻射光譜以適應(yīng)改變的需求，例如從ー種預(yù)成型件材料改變成另ー種，或者從ー個(gè)預(yù)成型件尺寸改變成另ー個(gè)等等。激光輻射束的寬度可以從近點(diǎn)(當(dāng)激光束作為窄的光束產(chǎn)生時(shí))擴(kuò)展到寬線(當(dāng)例如激光束呈扇形散開時(shí))。到達(dá)目的地(在這種情況下為預(yù)成型件)的激光輻射的強(qiáng)度將取決于激光束的有效寬度。通常，寬光束的邊緣不如窄光束的邊緣限定清晰。典型地，激光輻射的輻照度在光束中心處是最強(qiáng)的，并且朝向光束的外邊緣下降。激光束的“有用的”寬度可以通過多種方式限定，例如通過使用“半高全寬”(FWHM)，即，光束的輻照度在其最大值一半處的兩點(diǎn)之間的光束寬度。在本發(fā)明方法開發(fā)期間，已經(jīng)觀察到，被引導(dǎo)至預(yù)成型件處的激光束的寬度也影響加熱エ藝。窄的點(diǎn)狀的輻射束可以加熱預(yù)成型件的“斑點(diǎn)”區(qū)域，而寬的扇形輻射束可以加熱預(yù)成型件的“帯狀”區(qū)域。此外，激光束寬度也影響預(yù)成型件壁內(nèi)部的溫度廓線對(duì)于
窄的光束，在預(yù)成型件內(nèi)部比外部更容易實(shí)現(xiàn)更高的溫度，然而使用寬激光束來獲得這樣的溫度梯度則困難得多。因此，在根據(jù)本發(fā)明的方法中，激光輻射束的光束寬度被優(yōu)選地確定成使得光束寬度的值除以預(yù)成型件半徑的值小于或等于0.5，更優(yōu)選小于或等于0. 1，并且產(chǎn)生激光輻以給出激光輻射束的步驟包括根據(jù)所確定的光束寬度來成形激光輻射束。在該范圍內(nèi)選擇相對(duì)光束寬度的值允許非常有利地選擇相對(duì)有效吸收系數(shù)，就像上面描述的那樣。通常，由于涉及復(fù)雜的電子學(xué)，激光輻射源將處于相對(duì)于預(yù)成型件的固定位置處，預(yù)成型件可以被傳輸以便以適當(dāng)速度經(jīng)過激光輻射源。通常，預(yù)成型件被垂直保持并水平移動(dòng)通過爐，但是顯然，爐可以被構(gòu)造成預(yù)成型件可以以任何合適方式在其中被保持和傳輸。因?yàn)轭A(yù)成型件一般被移動(dòng)經(jīng)過激光輻射源，所以這些激光輻射源明顯地不能完全圍繞預(yù)成型件。因此，為了確保均勻加熱，預(yù)成型件優(yōu)選地繞縱軸旋轉(zhuǎn)，由此該縱軸的取向相對(duì)于入射的激光輻射束的主軸而言基本是橫向的。例如，激光輻射束可以被水平引導(dǎo)至經(jīng)過的預(yù)成型件處，并且預(yù)成型件可以繞垂直軸旋轉(zhuǎn)，使得激光輻射束的主軸基本與預(yù)成型件表面垂直地撞擊該預(yù)成型件。某個(gè)“溫度廓線”可以利用激光束的所選光譜組成和形狀來獲得。例如，已經(jīng)觀察至IJ，當(dāng)使用“寬”光束加熱時(shí)以及當(dāng)激光束光譜已經(jīng)被編譯來滿足具有來自以上給定的上限的值(例如約4.0的值)的相對(duì)有效吸收系數(shù)時(shí)，特定的預(yù)成型件在外部可以比在內(nèi)部展現(xiàn)出更高的溫度。當(dāng)使用窄光束加熱時(shí)以及當(dāng)激光束光譜已經(jīng)被編譯以便創(chuàng)建具有來自以上指定的下限的值(例如與2.0接近的值)的相對(duì)有效吸收系數(shù)時(shí)，該相同預(yù)成型件可以展現(xiàn)出更高的內(nèi)部溫度。因此，在本發(fā)明的特別優(yōu)選的實(shí)施例中，期望的相對(duì)有效吸收系數(shù)是基于在加熱期間在預(yù)成型件外部區(qū)域和內(nèi)部區(qū)域之間實(shí)現(xiàn)的特定的溫度梯度來選擇的。例如，預(yù)成型件加熱系統(tǒng)的控制器可以決定預(yù)成型件被最好地加熱以使得預(yù)成型件的內(nèi)部比外部熱。使用這一點(diǎn)作為性能目標(biāo)，并且知道預(yù)成型件的幾何結(jié)構(gòu)，控制器可以選擇對(duì)應(yīng)的相對(duì)有效吸收系數(shù)和適當(dāng)?shù)墓馐鴮挾?，使得利用合適的波長(zhǎng)譜來編譯并相應(yīng)地調(diào)控激光輻射束。當(dāng)所編譯的激光輻射導(dǎo)致滿足期望的溫度廓線的溫度梯度時(shí)，例如“內(nèi)部比外部略熱”，溫度的絕對(duì)值可能受到輻照持續(xù)時(shí)間影響。將預(yù)成型件暴露于激光輻射更長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間將導(dǎo)致在整個(gè)預(yù)成型件上更高的溫度，同時(shí)總體溫度梯度持續(xù)滿足期望的溫度廓線。使用根據(jù)本發(fā)明的方法，預(yù)成型件內(nèi)部能夠達(dá)到比外部更高的溫度，使得后續(xù)的吹塑步驟可以執(zhí)行，并且使得成品(如飲料容器)的質(zhì)量令人滿意地高。此外，與經(jīng)常導(dǎo)致預(yù)成型件過熱的外表面的現(xiàn)有技術(shù)形成對(duì)照，還可以實(shí)現(xiàn)預(yù)成型件體的非常均勻的加熱。然而，取決于例如預(yù)成型件的材料，在預(yù)成型件壁中的全內(nèi)反射的發(fā)生可以導(dǎo)致在預(yù)成型件的內(nèi)表面或內(nèi)部區(qū)域處溫度過高的情況。下面，描述可以微調(diào)預(yù)成型件的內(nèi)部溫度的多個(gè)方案。在本發(fā)明的ー個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，預(yù)成型件的內(nèi)部區(qū)域的溫度借助具有特定折射率的折射元件來調(diào)控，該折射元件位于預(yù)成型件的空腔中。這種折射元件可以簡(jiǎn)單地是插入預(yù)成型件空腔中的桿或類似物體，并且被成形為使得它整齊地(neatly)適合空腔。優(yōu)選地，選擇該折射元件的材料，以使得 折射元件的折射率與預(yù)成型件的折射率接近地匹配。例如，折射元件可以是與預(yù)成型件材料相同的材料或者是與預(yù)成型件材料非常類似的材料。于是，任何經(jīng)過預(yù)成型件的輻照在預(yù)成型件的內(nèi)表面將不再經(jīng)受全內(nèi)反射，而是將經(jīng)過折射元件并繼續(xù)在另ー側(cè)上通過預(yù)成型件體顯現(xiàn)。通過這種方式，確保了不期望的過剩的能量不被沉積在預(yù)成型件的內(nèi)部區(qū)域。折射元件可以是固體，但同樣可以是液體，如合適的油，或者甚至是水，這取決于期望的折射屬性。位于預(yù)成型件空腔中的折射元件的使用可以使激光輻照能量有效地分布。然而，取決于預(yù)成型件材料、預(yù)成型件的幾何結(jié)構(gòu)和激光輻射源的選擇，激光輻射的一些過剩部分的“處置”可能是所期望的。因此，在本發(fā)明另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，可以借助置于預(yù)成型件空腔中的熱吸收器來調(diào)控預(yù)成型件內(nèi)部區(qū)域的溫度，所述熱吸收器吸收部分激光輻射能量。以此方式，過剩的能量不是簡(jiǎn)單地被重新引導(dǎo)至預(yù)成型件的另ー個(gè)區(qū)域，而是可以被部分或全部“移除”。該吸收器的材料可以基于它的吸收屬性(例如吸收所使用的所有波長(zhǎng)或所使用的ー些或大部分波長(zhǎng)的激光輻射)來選擇。熱吸收器可以是固體，液體或者任何合適狀態(tài)。例如，預(yù)成型件可以在它們經(jīng)過爐的路徑上被懸掛使得它們的開ロ端朝上，并且熱吸收器可以簡(jiǎn)單地是倒入空腔中并且隨后在預(yù)成型件通過吹塑而被成形之前再次被倒出的水。預(yù)成型件通常圍繞軸旋轉(zhuǎn)，如上所述，使得激光輻射的熱能在整個(gè)預(yù)成型件體上有效分布。在本發(fā)明另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，熱吸收器包括能量吸收材料的半圓柱體，該半圓柱體相對(duì)于預(yù)成型件是基本固定的。驅(qū)動(dòng)裝置優(yōu)選地裝備有存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)涉及針對(duì)不同的預(yù)成型件幾何結(jié)構(gòu)、激光束寬度和所得到的溫度廓線的相對(duì)有效吸收系數(shù)的信息。這樣的存儲(chǔ)器可以適當(dāng)?shù)匾圆檎冶?LUT)或圖的形式存儲(chǔ)信息。例如，可以針對(duì)多種預(yù)成型件幾何結(jié)構(gòu)、激光束寬度和溫度梯度采集相對(duì)有效吸收系數(shù)數(shù)據(jù)，并且這些數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)為點(diǎn)集。在隨后的步驟中，使用不同的預(yù)成型件幾何結(jié)構(gòu)，可以通過在先前采集的數(shù)據(jù)的合適的點(diǎn)之間進(jìn)行插值來確定相對(duì)有效吸收系數(shù)。自然地，在儲(chǔ)存器中儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)可以隨時(shí)更新或増加新的數(shù)據(jù)點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明的預(yù)成型件加熱系統(tǒng)，特別是用于加熱預(yù)成型件的吹瓶設(shè)備，包括激光輻射產(chǎn)生単元，其用于產(chǎn)生包括處于多個(gè)波長(zhǎng)的激光輻射分量的激光輻射束；和如上所述的驅(qū)動(dòng)裝置，其用于控制激光輻射產(chǎn)生單元；和光束控制器，其用于引導(dǎo)激光輻射束至預(yù)成型件處以加熱預(yù)成型件。
任何合適的激光輻射源都可以被用來產(chǎn)生所需的激光輻射束。優(yōu)選地，激光輻射束應(yīng)當(dāng)包括具有可變強(qiáng)度的幾個(gè)不同的波長(zhǎng)或波長(zhǎng)范圍，使得可變波長(zhǎng)譜可以被編譯以適合被加熱的預(yù)成型件的類型。例如，合適的激光輻射產(chǎn)生単元可包括多個(gè)半導(dǎo)體激光器，其是緊湊的并且可以被布置在相對(duì)較小的(與十分龐大的紅外鹵素?zé)粝啾?適合于照射預(yù)成型件的區(qū)域。另外，半導(dǎo)體激光器是相對(duì)經(jīng)濟(jì)的。特別適合的半導(dǎo)體激光器的類型是垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)，因?yàn)閂CSEL能通過對(duì)活性(active)介質(zhì)和反射器層的適當(dāng)選擇來調(diào)諧以傳遞某一波長(zhǎng)的輻射，如本領(lǐng)域技術(shù)人員將已知的。因此，根據(jù)本發(fā)明的預(yù)成型件加熱系統(tǒng)的激光輻射產(chǎn)生單元優(yōu)選包括多個(gè)VCSEL，例如ー組VCSEL，其中每個(gè)VCSEL覆蓋在光譜的不同區(qū)域中的波長(zhǎng)范圍，特別是在光譜的紅外范圍中的波長(zhǎng)范圍。借助于這樣的ー排VCSEL，“混合”或“編譯”具有匹配某個(gè)預(yù)成型件的波長(zhǎng)的波長(zhǎng)譜特別簡(jiǎn)単，使得預(yù)成型件可被最優(yōu)地加熱。針對(duì)這種激光輻射源編譯的波長(zhǎng)譜可以適當(dāng)?shù)匕x散的波長(zhǎng)或者連續(xù)的波長(zhǎng)。對(duì)于某些類型的預(yù)成型件，產(chǎn)生在窄波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射以用于加熱エ藝的“微調(diào)”可能足夠了，同時(shí)利用可替代熱源實(shí)施基本加熱。因此，在本發(fā)明的另ー個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中， 除了上面描述的激光輻射產(chǎn)生単元之外，預(yù)成型件加熱系統(tǒng)包括紅外輻射源，例如多個(gè)鹵素?zé)?。在本發(fā)明的另一方面，提出了用于加熱預(yù)成型件的計(jì)算機(jī)程序，其中該計(jì)算機(jī)程序包括程序代碼裝置，其用于當(dāng)計(jì)算機(jī)程序在控制預(yù)成型件加熱系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí)使得如權(quán)利要求12所限定的預(yù)成型件加熱系統(tǒng)實(shí)施如權(quán)利要求I所限定的加熱預(yù)成型件的方法的步驟。應(yīng)當(dāng)理解，權(quán)利要求12的預(yù)成型件加熱系統(tǒng)，權(quán)利要求I的加熱預(yù)成型件的方法和權(quán)利要求15的計(jì)算機(jī)程序具有相似和/或相同的優(yōu)選實(shí)施例，特別地，如從屬權(quán)利要求所限定的優(yōu)選實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例也可以是從屬權(quán)利要求和相應(yīng)獨(dú)立權(quán)利要求的任
思？:ロ ロ o本發(fā)明的其他目的和特征將根據(jù)下面的結(jié)合附圖考慮的詳細(xì)描述而變得明顯。然而，應(yīng)當(dāng)理解，附圖僅僅出于說明的目的而設(shè)計(jì)，而不是作為本發(fā)明的范圍的限定。


圖I示出通過預(yù)成型件的簡(jiǎn)化的橫向橫截面和簡(jiǎn)化的縱向橫截面；圖2示出在以現(xiàn)有技術(shù)加熱的預(yù)成型件的外部區(qū)域中的不期望的過熱的發(fā)展；圖3示出在制造預(yù)成型件中使用的示例性材料的簡(jiǎn)化的吸收光譜；圖4示出相對(duì)于通過預(yù)成型件的橫向橫截面的激光輻射束的輻照度分布，指示當(dāng)使用根據(jù)本發(fā)明的方法加熱預(yù)成型件時(shí)通過該預(yù)成型件的激光輻射所采取的路徑；圖5示出根據(jù)本發(fā)明的方法中使用的相對(duì)有效吸收系數(shù)的ー組特性曲線；圖6a示出通過預(yù)成型件的橫截面以及通過預(yù)成型件的兩個(gè)示例性輻射線所采取的路徑；圖6b示出通過預(yù)成型件的橫截面以及在根據(jù)本發(fā)明的預(yù)成型件加熱方法中用于折射激光輻射的折射元件；
圖6c示出通過預(yù)成型件的橫截面以及在根據(jù)本發(fā)明的預(yù)成型件加熱方法中用于吸收激光輻射的第一熱吸收器；圖6d示出通過預(yù)成型件的橫截面以及在根據(jù)本發(fā)明的預(yù)成型件加熱方法中用于吸收激光輻射的第二熱吸收器；圖7示出包括根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)裝置的吹瓶設(shè)備；圖8a示出使用根據(jù)本發(fā)明的方法的針對(duì)預(yù)成型件橫截面的射線追蹤模擬和第一加熱廓線；圖Sb示出使用根據(jù)本發(fā)明的方法的針對(duì)預(yù)成型件橫截面的射線追蹤模擬和第二加熱廓線；在附圖中，同樣的數(shù)字始終指代同樣的物體。圖表中的物體不一定按比例繪制。
具體實(shí)施方式
圖I示出通過預(yù)成型件I的本體3的橫向橫截面和縱向橫截面。準(zhǔn)備用作飲料容器或瓶的預(yù)成型件I已以螺紋狀頸部2為特征，與預(yù)成型件I的本體3相反的，該螺紋狀頸部2通常不經(jīng)受任何加熱，因而在很大程度上保持不受對(duì)加熱的預(yù)成型件本體3的后續(xù)吹塑的影響。預(yù)成型件I的空腔4可以在預(yù)成型件經(jīng)過爐或熔爐的路徑期間用于使預(yù)成型件I固定，因?yàn)榇灯吭O(shè)備經(jīng)常被稱為(termed by)例如預(yù)成型件被置于其上的桿或針。而當(dāng)預(yù)成型件被加熱時(shí)，它可以圍繞它的縱軸5旋轉(zhuǎn)。當(dāng)在爐中加熱時(shí)，預(yù)成型件I的本體3變熱并軟化，結(jié)果使得在后續(xù)的處理步驟中，在某一壓カ下強(qiáng)迫進(jìn)入預(yù)成型件I的空腔4的空氣使預(yù)成型件本體3膨脹。預(yù)成型件I外部的合適的成形裝置可以用于成形飲料容器，例如給出凹槽或凹痕以使得容器易于保持。在現(xiàn)有技術(shù)的鹵素爐中，其中紅外輻射是由成行排列在爐壁上的多個(gè)鹵素?zé)襞莅l(fā)射的，預(yù)成型件基本上是通過熱傳導(dǎo)從外部到內(nèi)部來加熱。因?yàn)闊醾鲗?dǎo)可能是相當(dāng)緩慢的，常常出現(xiàn)ー個(gè)問題，即，當(dāng)預(yù)成型件內(nèi)部區(qū)域暖到足以用于后續(xù)吹塑步驟時(shí)，預(yù)成型件的外部區(qū)域H已經(jīng)變得過熱了。由圖2中預(yù)成型件I的壁中的區(qū)域H示出這種不想要的過度加熱。圖3示出ー種如典型地在預(yù)成型件制造中使用的PET材料的吸收光譜。該圖示出吸收系數(shù)a (每mm)與波長(zhǎng)\ (以納米為單位)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖中出現(xiàn)在某些波長(zhǎng)處(例如在約1700nm和1900nm處)的峰值對(duì)應(yīng)于高吸收，使得在這些波長(zhǎng)處的輻射被吸收得特別好，使得在這些波長(zhǎng)處的輻射中的能量在預(yù)成型件的本體中被轉(zhuǎn)化為熱能。在其他波長(zhǎng)處(例如在400nm到IOOOnm之間的區(qū)域中)的輻射有效地穿過預(yù)成型件而沒有被吸收。在特定波長(zhǎng)處的吸收系數(shù)可以例如使用下面的關(guān)系式通過實(shí)驗(yàn)確定
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‘いノ(2)其中，a A是在波長(zhǎng)\處的吸收，Itl是入射的輻射強(qiáng)度(如果材料的反射率是不可忽略的，入射強(qiáng)度必須被相應(yīng)地校正)，Ia是透射的強(qiáng)度，且tm是測(cè)試材料的厚度。這樣的數(shù)據(jù)是材料的特性且通常由制造商提供或者可被容易地測(cè)量。圖4示出了引導(dǎo)至在預(yù)成型件I處的激光輻射束L沿著相對(duì)于預(yù)成型件I的縱軸(未示出)橫向的主軸40的輻照度分布。這里，以橫向橫截面示出預(yù)成型件1，其具有半徑R和壁厚度t，預(yù)成型件I的中心位于X軸和y軸交叉點(diǎn)處。z軸垂直于由X軸和y軸給定的平面，并且對(duì)應(yīng)于與經(jīng)過爐時(shí)預(yù)成型件I可能圍繞其旋轉(zhuǎn)的縱軸。激光輻射L展現(xiàn)于exp (_(y2+z2)/B2)成比例的正態(tài)或高斯分布IlasOT(y，z)，其具有有效激光束寬度B，在該寬度處強(qiáng)度下降到它的最大值的1/e。因?yàn)楸景l(fā)明僅僅與能量吸收密度的徑向依賴有夫，Ilasw的Z-依賴在隨后的考慮中被忽略。路徑tpt2和t3是在穿過由下式給定的半徑r內(nèi)的預(yù)成型件壁中的層的路途上的示例性激光輻射線r = R-t+ y t (3)其中，Y^lo在穿過材料厚度At的路途上，激光輻射強(qiáng)度減少了因子 導(dǎo)致在X方向附加的依賴性。為了確定由于沿著路徑tpt2被吸收的激光輻射的緣
故而在預(yù)成型件I的環(huán)形區(qū)域41中的總能量吸收？(1)，必須計(jì)算關(guān)于吸收密度的積分，從而給出如下的表達(dá)式
權(quán)利要求
1.ー種加熱預(yù)成型件(I)的方法，所述預(yù)成型件用半徑(R)、材料厚度(t)和材料吸收光譜表征，所述方法包括步驟 -依據(jù)期望的溫度廓線(Td)，基于預(yù)成型件半徑(R)和材料厚度(t)選擇用于預(yù)成型件⑴的期望有效吸收系數(shù)Urff)； -產(chǎn)生激光輻射束(L)，其包括具有基于吸收光譜的吸收系數(shù)(a J編譯的波長(zhǎng)譜的輻射，以滿足有效吸收系數(shù)(arff)； -以及將激光輻射束(L)引導(dǎo)至預(yù)成型件(I)處以加熱預(yù)成型件(I)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其中，有效吸收系數(shù)(Cirff)從期望的相對(duì)有效吸收系數(shù)(aeff .R)導(dǎo)出，所述用于預(yù)成型件⑴的期望的相對(duì)有效吸收系數(shù)(a6ff *R)是基于期望的溫度廓線(Td)、預(yù)成型件半徑(R)以及預(yù)成型件材料厚度⑴而選擇的。
3.ー種加熱預(yù)成型件(I)、特別是根據(jù)權(quán)利要求I或2的方法，該預(yù)成型件用半徑(R)、材料厚度(t)和預(yù)成型件材料吸收光譜表征，所述方法包括產(chǎn)生激光輻射束(L)，其包括具有基于吸收光譜而編譯的波長(zhǎng)譜的激光輻射，以滿足有效吸收系數(shù)(a eff)，使得當(dāng)激光輻射束(L)被引導(dǎo)至預(yù)成型件(I)處時(shí)，激光輻射束(L)根據(jù)在I. 0-4. 0的范圍中、更優(yōu)選在2. 0-3. 5的范圍中、最優(yōu)選在2. 5-3. 0的范圍中的期望的相對(duì)有效吸收系數(shù)(a eff -R)來加熱預(yù)成型件(I)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2的方法，其中，用于激光輻射束(L)的光束寬度(B)被確定以使得光束寬度(B)除以預(yù)成型件半徑(R)小于或等于0.5，更優(yōu)選地小于或等于0. 1，并且產(chǎn)生激光輻射以給出激光輻射束(L)的步驟包括根據(jù)所確定的光束寬度(B)來成形激光輻射束(L)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2的方法，其中，基于在加熱期間在預(yù)成型件(I)外部區(qū)域和內(nèi)部區(qū)域之間實(shí)現(xiàn)的特定的溫度梯度來選擇期望的相對(duì)有效吸收系數(shù)U eff R)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2的方法，其中，借助具有特定折射率的折射元件￠0)來調(diào)控預(yù)成型件(I)的內(nèi)部區(qū)域的溫度，該折射元件(60)位于預(yù)成型件(I)的空腔(4)中。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或2的方法，其中，借助定位在預(yù)成型件(I)的空腔(4)中的熱吸收器(61，62)來調(diào)控預(yù)成型件(I)的內(nèi)部區(qū)域的溫度，該熱吸收器(61，62)吸收激光輻射的部分能量。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中，熱吸收器(62)包括能量吸收材料的半圓柱體(62)，所述半圓柱體￠2)相對(duì)于預(yù)成型件(I)基本是固定的。
9.一種用于控制預(yù)成型件加熱系統(tǒng)(10)的激光輻射產(chǎn)生單元(9)的驅(qū)動(dòng)裝置(7)，所述驅(qū)動(dòng)裝置(7)包括 -輸入接ロ(70)，用于獲得預(yù)成型件(I)的預(yù)成型件幾何參數(shù)(R，t)、預(yù)成型件吸收光譜以及期望的溫度廓線(Td)； -選擇裝置(72，73)，用于依據(jù)期望的溫度廓線(Td)，基于預(yù)成型件幾何參數(shù)(R，t)選擇有效吸收系數(shù)(Ctejff)； -激光參數(shù)編譯器模塊(74)，用于基于吸收光譜的吸收系數(shù)(a A)來編譯激光輻射波長(zhǎng)譜以滿足有效吸收系數(shù)(a eff)，并且用于基于期望的相對(duì)有效吸收系數(shù)(a rff R)來選擇用于激光輻射束(L)的激光束寬度(B)； -以及，輸出接ロ(75)，用于向激光產(chǎn)生單元(9)提供涉及所編譯的激光輻射波長(zhǎng)譜和激光束寬度(B)的控制信號(hào)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的驅(qū)動(dòng)裝置(7)，其中，選擇裝置(72，73)包括選擇模塊(72)，其用于基于預(yù)成型件幾何參數(shù)(R，t)以及期望的溫度廓線(Td)來選擇相對(duì)有效吸收系數(shù)(aeff .R);以及，導(dǎo)出模塊(73)，其用于從相對(duì)有效吸收系數(shù)(Cirff *R)導(dǎo)出有效吸收系數(shù)(a eff)。
11.ー種用于控制用于加熱預(yù)成型件(I)的預(yù)成型件加熱系統(tǒng)(10)的激光輻射產(chǎn)生單元(9)的驅(qū)動(dòng)裝置(7)，特別是根據(jù)權(quán)利要求9或10的驅(qū)動(dòng)裝置，所述預(yù)成型件(I)用半徑(R)、材料厚度(t)以及預(yù)成型件材料的吸收光譜表征，所述驅(qū)動(dòng)裝置(7)包括配置裝置 (72，73，74)，其用于配置激光輻射產(chǎn)生單元(9)以產(chǎn)生激光輻射束(L)用來根據(jù)在I. 0-4. 0的范圍中、更優(yōu)選在2. 0-3. 5的范圍中、以及最優(yōu)選在2. 5-3. 0范圍中的期望相對(duì)有效吸收 系數(shù)(aeff*R)來加熱預(yù)成型件(I)，所述激光輻射束(L)包括基于吸收光譜編譯的波長(zhǎng)譜，以滿足從相對(duì)有效吸收系數(shù)(a rff R)導(dǎo)出的有效吸收系數(shù)(a eff)。
12.—種預(yù)成型件加熱系統(tǒng)(10)，特別是用于加熱預(yù)成型件(I)的吹瓶設(shè)備(10)，所述系統(tǒng)包括 -根據(jù)權(quán)利要求9或權(quán)利要求11的驅(qū)動(dòng)裝置(7)，用于編譯包括多個(gè)激光輻射波長(zhǎng)(入，入2，...，入n)的激光輻射波長(zhǎng)譜，且用于選擇期望的激光束寬度(B)； -激光輻射產(chǎn)生單元(9)，用于產(chǎn)生根據(jù)激光輻射波長(zhǎng)譜的激光輻射；以及 -光束成形単元(76)，用于根據(jù)期望的光束寬度(B)成形激光輻射，并且用于將成形的激光輻射束(L)引導(dǎo)至預(yù)成型件(I)處以加熱預(yù)成型件(I)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的預(yù)成型件加熱系統(tǒng)(10)，其中，激光輻射產(chǎn)生單元(9)包括多個(gè)垂直腔面發(fā)射激光器。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的預(yù)成型件加熱系統(tǒng)(10)，包括附加的紅外輻射源。
15.一種用于加熱預(yù)成型件的計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序包括程序代碼裝置，該程序代碼裝置用于當(dāng)所述計(jì)算機(jī)程序在控制如權(quán)利要求12限定的預(yù)成型件加熱系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí)使得所述預(yù)成型件加熱系統(tǒng)實(shí)施如權(quán)利要求I限定的加熱預(yù)成型件的方法的步驟。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種加熱預(yù)成型件(1)的方法，該預(yù)成型件(1)用半徑(R)、材料厚度(t)和材料吸收光譜表征，所述方法包括步驟依據(jù)期望的溫度廓線，基于預(yù)成型件半徑(R)和材料厚度(t)選擇用于預(yù)成型件(1)的期望的有效吸收系數(shù)；產(chǎn)生激光輻射束(L)，其包括具有基于吸收光譜的吸收系數(shù)而編譯的波長(zhǎng)譜的輻射，以滿足有效吸收系數(shù)；以及將激光輻射束(L)引導(dǎo)至預(yù)成型件(1)處以加熱預(yù)成型件(1)。本發(fā)明還描述了一種用于控制預(yù)成型件加熱系統(tǒng)(10)的激光輻射產(chǎn)生單元(9)的驅(qū)動(dòng)裝置(7)、一種預(yù)成型件加熱系統(tǒng)(10)以及一種計(jì)算機(jī)程序。
文檔編號(hào)B29C35/08GK102656002SQ201080041337
公開日2012年9月5日 申請(qǐng)日期2010年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月15日
發(fā)明者J·波爾曼雷奇, M·施特勒澤, P·佩卡爾斯基 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司