自由吹胀瓶子设计的制作方法

自由吹胀瓶子设计
[0001]
相关申请的交叉引证
[0002]
本申请要求提交于2018年6月29日的美国临时申请第62/691,670号的权益。上述申请的全部公开通过引证结合于本文。
技术领域
[0003]
本发明广泛地涉及容器设计领域，并且更具体地，涉及塑料容器的设计和制造。


背景技术：

[0004]
在过去35年左右期间，在诸如碳酸饮料的液体产品包装中存在着从玻璃容器朝向塑料容器的巨大转变。塑料容器最初采用两片结构的形式，其中具有大致半球状底部的杯座被施加到塑料瓶以允许瓶子直立。由于其便于重复性制造以及保持由在容器中的饱和碳酸产生的压力，因此半球状底部被认为是最可取的形状。当瓶装饮料暴露于太阳下、储存在温暖的房间中或汽车行李箱中等时，在这些容器中的压力可高达100磅每平方英寸(psi)或更高。当处于相同内部压力的影响下时，这些塑料容器相对于玻璃容器表现出显著的安全优势。然而，塑料容器的两片式结构并不经济，因为其需要成型后的组装，以及在回收或再利用形成瓶子和杯座的树脂前的单独步骤。
[0005]
随着用于塑料容器的制造技术的成熟，塑料容器的几何结构变得更加复杂。现在，可使用各种制造技术来制造具有华丽的表面细节、变化的底部/底座、把手、不同的截面形状等的塑料容器。可通过再加热拉伸吹塑、挤出吹塑、滚塑等来制造美观的塑料容器。这些技术发生在各种各样的温度处并且使用各种流体作为吹胀介质。
[0006]
随着塑料容器几何结构的复杂性的增长，塑料容器制造产业采取了已知的设计塑料容器的方法。首先，采用适于由新塑料容器满足的需求的概念。一旦概念被确定，设计团队则生成塑料容器的机械和数字的呈现。该机械和数字的呈现考虑到塑料容器的外观、容纳在里面的产品、审美的考虑、容器里面产品的体积、运输成本和/或物流、容器材料成本以及其他类似的参数。
[0007]
一旦决定了塑料容器的外观，则执行仿真以确定用于形成塑料容器的具体预制件是如何在制造环境中完成的。该仿真将考虑到形成预制件(和最终容器)的材料、预制件的长度、预制件的重量、预制件与最终容器的侧壁厚度和侧壁厚度轮廓以及预制件和/或最终容器的其他希望的参数。仿真是迭代的，并且调整或改变上述考虑的任何一个或多个直到来自具体预制件的期望塑料容器的仿真满足期望概念且得到示出在机械和数字的呈现中的塑料容器。
[0008]
在运行了足够的仿真后，制造小批量的塑料容器以创造真实的如反映在机械和数字的呈现中的塑料容器。由于工艺过程中关于温度、预制件的处理(加热或其他)、吹胀流体的压力等的变化，最终塑料容器可能不可接受。例如，在现实世界的工艺条件下，塑料容器可具有不可接受的容器壁厚变化、条纹或其他不可接受的表面缺陷，或在跌落试验、压力试验以及其他机械试验中不可接受的表现。这些变化可由制造参数而引起，可在生产可接受
的塑料容器的尝试中调整该参数，或者是由用于制造塑料容器的预制件的材料或几何结构而引起。这些变化还可由迫使形成预制件的塑料材料在方向上或在一定程度上拉伸和/或扩张而引起，该拉伸和/或扩张造成塑料材料的聚合物链损坏。这些预制件的塑料材料的过分拉伸可发生在轴向或径向上，其中最终的塑料容器获得不希望得到的尺寸和形状而不是希望的设计，或者可导致失败的塑料容器。
[0009]
为了生产可接受的能大批量制造的塑料容器，能用工艺条件、预制件材料和/或预制件几何结构的变化的不同的迭代和排列来多次重复塑料容器的仿真和小批量制造。重复这个迭代过程直到获得满足最初概念和呈现的标准的可接受且可重复的塑料容器，或者直到重复从概念和/或呈现到小批量制造的整个过程。经常用不必要的厚侧壁或更贵的材料过度设计塑料容器，以便更快地生产出具有希望的审美的可重复的塑料容器。在这种方式下，塑料容器的设计过程是低效率的“猜测和检测”的方法学。这个“猜测和检测”的方法学导致塑料容器制造商的成本增高。其结果是，由于需要的设计步骤的重复和用于同样原因的时间消耗，塑料容器的设计可以是昂贵的。这些在时间和成本上的低效可延误甚至阻止具体的塑料容器和容纳在其中的产品在有效的时间周期中进入商品流动。
[0010]
需要开发一种有效的设计具有希望的参数的塑料容器的方法，从而使设计和制造该塑料容器时的时间和成本减到最小。


技术实现要素：

[0011]
与本发明一致的是，出人意料地发现一种设计具有希望的尺寸的塑料容器的有效的方法，该方法最小化了开发和制造塑料容器的时间和成本。
[0012]
在本发明的一个实施例中，公开了一种设计塑料容器的方法。该方法包括以下步骤：设计在第一工艺中形成的容器，以及通过不同于第一工艺的第二工艺来形成第二容器和第三容器。该方法还包括这个步骤：比较第一容器的侧壁轮廓与第二容器的侧壁轮廓和第三容器的侧壁轮廓，其中，第二容器的侧壁轮廓与第一容器的侧壁轮廓之间的不同大于第三容器的侧壁轮廓与第一容器的侧壁轮廓之间的不同。该方法包括选择用于形成第三容器的第三容器预制件、并且在第一工艺中使用第一容器预制件以形成第一容器的步骤。第一容器预制件具有的预形成的第一容器侧壁轮廓大体上等同于第三容器预制件的预形成的第三容器侧壁轮廓。
[0013]
在本发明的另一个实施例中，设计塑料容器的方法包括提供具有第一侧壁轮廓的容器的设计并且自由吹塑具有已知尺寸的第一预制件以得到具有第二侧壁轮廓的自由吹胀容器的步骤。该方法附加地包括以下步骤：比较容器的设计的第一侧壁轮廓与自由吹胀容器的第二侧壁轮廓，以及使用具有不同的已知尺寸的第二预制件或者在不同于第一预制件的自由吹塑条件下，重复自由吹塑步骤以最小化容器的设计的第一侧壁轮廓与自由吹胀容器的第二侧壁轮廓之间的不同。
[0014]
在本发明的还一个实施例中，设计塑料容器的方法包括以下步骤：提供具有第一侧壁轮廓的容器的设计，确定所述容器的规格，以及基于规格提供用于在吹塑工艺中形成容器的模具。该方法又包括以下步骤：自由吹塑具有已知尺寸的第一预制件以得到具有第二侧壁轮廓的自由吹胀容器，以及比较容器的设计的第一侧壁轮廓与自由吹胀容器的第二侧壁轮廓。该方法还包括这个步骤：使用具有不同的已知尺寸的第二预制件或者在不同于
第一预制件的自由吹塑条件下，重复自由吹塑步骤以最小化容器的设计的第一侧壁轮廓与自由吹胀容器的第二侧壁轮廓之间的不同。该方法包括选择第一预制件和第二预制件中的一个的步骤。由第一预制件和第二预制件中所选择的一个形成的自由吹胀容器的第二侧壁轮廓与容器的设计的第一侧壁轮廓之间具有的不同小于由第一预制件和第二预制件中的另一个形成的自由吹胀容器的第二侧壁轮廓与容器的设计的第一侧壁轮廓之间的不同。
附图说明
[0015]
当根据附图考虑以下优选实施例的详细描述时，本发明上述以及其他的优势将对于本领域技术人员变得显而易见，在附图中:
[0016]
图1是根据本发明的实施例的设计容器的方法的步骤的流程图；
[0017]
图2是容器与在打开状态中的模具的正视截面图，其中容器形成在模具中并由模具以根据图1的方法的吹塑工艺而形成；
[0018]
图3a至图3c是用于在根据图1的方法的吹塑工艺中使用的预制件的各种示例的顶部立体图；以及
[0019]
图4是在根据图1的方法的自由吹塑工艺中形成的塑料容器的底部立体图。
具体实施方式
[0020]
以下详细的描述和附图描述并阐明本发明的各种示例性实施例。描述和附图用于使得本领域技术人员可使用本发明，而不旨在以任何方式限制本发明的范围。对于公开的方法，提供的步骤本质上是示例性的，并且因此，步骤的顺序不是必要的或关键的。
[0021]
本文中所使用的“一(a)”和“一个(an)”表示存在“至少一个”物品；可能的话，可以存在多个这种物品。如在本文使用的，“大体上(substantially)”表示“相当大的程度”、“大部分地”或“近似地”，本领域技术人员查看本发明时将理解这些术语。
[0022]
尽管术语第一、第二、第三等在本文中可以用于描述各种元件、部件、区域、层和/或区段，但是这些元件、部件、区域、层和/或区段不应当由这些术语限制。这些术语仅可以用于将一个元件、部件、区域、层或区段与另一个元件、部件、区域、层或区段分开。当在本文中使用时诸如“第一”、“第二”、和其他数字的术语不暗示序列或顺序，除非上下文清楚地指出。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或区段可以被称为第二元件、部件、区域、层或区段，而不脱离示例性实施例的教导。
[0023]
图1示出根据本发明的实施例的设计容器100(如在图2中所示)的方法10的流程图。例如，容器100是构造为保存诸如流体的产品的空心盛器。本文使用的容器100是塑料容器。然而，应当理解，步骤的一部分或整体可用于设计由诸如玻璃的替代材料或其他希望的材料形成的容器。
[0024]
在方法10的第一步骤12中，生产或获得容器100的概念上的设计。该概念上的设计可以是手绘或者是计算机生成的(例如由诸如计算机辅助设计(cad)软件套件的设计工具生产的)图画。然而，应当理解，可以按需使用其他类型的现在已知或后期开发的媒介、软件或者三维呈现。容器100将包括审美的和/或功能的特征。例如，尽管未示出，容器100可包括例如按需的把手、手柄、压痕、波纹、弯曲、浅凹、其他表面特征等。容器100的审美的和/或功能的特征可根据容器100的最终用途而变化。
[0025]
在方法10的第二步骤14中，确定容器100的规格以创建全部的侧壁轮廓。本文使用的侧壁轮廓指的是，但不限于，容器100的全部三维形状，该全部三维形状包括容器100的全部尺寸。容器100的全部三维形状可包括内部和外部的宽度、长度、高度、侧壁厚度、角度、弯曲半径以及其他类似条件。规格还可包括容器100在空着时期望的重量以及容器100内部或外部的期望的体积。在方法10的第三步骤16中，基于确定的规格生产、获得、或者使用计算机仿真程序来仿真模具102(见图2)。
[0026]
如在图2中所示，模具102由至少两个单独的部件形成。如所示，模具102是处于打开或分开的位置。当被组合或处于关闭或接合的位置时，这两个单独的部件形成腔104。该腔104在形状上对应于最终容器100的形状和尺寸。
[0027]
重新参考图1，在图10的第四步骤18中，选择预制件106(例如见图3)。本文使用的预制件106(有时还称为型坯)用作指代在吹塑工艺、注射吹塑工艺或者注射拉伸吹塑工艺中使用的术语。然而，应当理解，预制件106还能是在其他工艺(诸如以挤出吹塑为例)中使用的术语。预制件106由塑料形成并且是在一端有孔的管状塑料件，其中流体可穿过该孔。将预制件106定位在模具102中，然后将流体吹入模具102，使得塑料扩张以匹配模具102的腔104的型廓。当被重新加热并吹塑以形成容器100时，所选择的预制件106是典型地由预制件106基于重量、轴向和径向拉伸比而能得到的。预制件106可具有任何希望的形状、半径、壁厚、重量、长度和/或高度。
[0028]
图3a至图3c示出预制件106的各种示例。例如，在图3a中的预制件106a构造为钟形的预制件。在另一个示例中，在图3b中的106b构造为颠倒的拉伸(draft)预制件106b。在还一个示例中，在图3c中的预制件106c是宽口圆锥形预制件106c。然而，应当理解，预制件106可按需构造为现在已知的或后期开发的具有任何侧壁轮廓、截面或三维形状的任何预制件。预制件106可按需由满足最终容器100的已知目标的任何材料而形成。例如，可形成预制件106和容器100的聚合物包括，但不必须限于，聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)和其他聚酯、聚丙烯、丙烯腈酸酯、氯乙烯、聚丙烯等，以及其衍生物、混合物和共聚物。
[0029]
重新参考图1，方法10的步骤18是选择预制件步骤。根据最终容器100的形状与由自由吹塑或自由吹胀预制件(下文详细描述)而形成的最终容器的形状的比较来选择预制件106。方法10的步骤20是自由吹胀预制件106。如所示，步骤20自由吹胀预制件可发生为步骤18选择预制件的一部分。然而在另一个实施例中，步骤20自由吹胀预制件106可不必要是步骤18选择预制件的一部分，因为步骤20自由吹胀可在方法10之前已经发生。例如，在方法10之前，可包括关于由具体的预制件形成的最终自由吹胀容器的预先确定的信息中的表格、曲线图、图表、公式、数学关系或其他指标或参考指南的预制件106的轮廓可用作容器100的参考和对照。预制件106的轮廓还可包括最终自由吹胀容器可保存的流体体积的范围。其结果是，可采用已经自由吹胀到自由吹胀容器中的已知的预制件。即，步骤20自由吹胀预制件可在步骤18选择预制件或甚至在步骤12概念上地设计容器之前已经发生。
[0030]
预制件106的自由吹胀是这样一种工艺：在烤箱中加热预制件106到平衡状态，然后用诸如以液体为例的自由吹胀介质吹塑预制件，而不使用具有模具腔的模具。允许预制件106采用由流体压力、流体体积、形成预制件106的材料、重力、烤箱温度以及其他工艺和预制件变化量而影响的形状。
[0031]
图4示出由使用液体吹胀介质(未示出)的预制件106的自由吹胀得来的自由吹胀
容器108。因为没有使用模具而形成，所以自由吹胀容器108具有泪滴形状和封闭的圆形底部110。自由吹胀容器具有最终的侧壁轮廓。如上所记录，在不同条件下，使用相同预制件的自由吹胀容器108可生成各种侧壁轮廓。例如，在第一参数(诸如第一烤箱温度和第一自由吹胀流体压力)下吹胀已知材料和已知尺寸的第一预制件，可得到与在第二参数(诸如第二烤箱温度和第二自由吹胀流体压力)下吹胀相同材料和尺寸的第二预制件具有不同的侧壁轮廓的容器。改变自由吹胀预制件所采用的参数有助于确定具有与容器100相似侧壁轮廓的自由吹胀容器108，并且还有助于创建用于预制件106的轮廓。
[0032]
可接受的自由吹胀容器108的将大体上免于表面缺陷、不可接受的壁厚变化和/或洞或孔。自由吹胀容器108还将扩张足够的体积以在其中容纳期望量的产品。在不同工艺条件(诸如温度、流体体积、吹胀介质压力、等)下，通过自由吹胀由不同材料形成、具有不同长度、壁厚、尺寸和/或其他材料或尺寸变化的不同重量或形状的预制件可生成用于预制件106的附加轮廓。如本文以上所述，在多种条件和参数下自由吹胀的或者具有本文描述的不同性质的多种差异的每个预制件，将得到具有自身独特的用于容纳产品的内部体积(即腔的体积)、长度、宽度、形状、直径、壁厚、壁厚轮廓、角度、弯曲半径以及其他期望尺寸的不同的自由吹胀容器。在这种方式下，用形成自由吹胀容器108的预制件106的确切的侧壁轮廓与预制件106形成自由吹胀容器108时经受的确切的条件可生成自由吹胀容器的参考指南。参考指南的具体优势是能够将具体的预制件与它们最大的内部体积容量相关联。其结果是，可选择预制件来形成能够保存希望的量的产品的自由吹胀容器108。
[0033]
在方法10的步骤18选择预制件的步骤22中，执行容器100与自由吹胀容器108的比较。例如，比较自由吹胀容器108的侧壁轮廓、形状或外部型廓与模具102的腔104的形状或内部型廓，或者与容器100的侧壁轮廓、形状或外部型廓。可确定并最小化自由吹胀容器108与容器100的侧壁轮廓之间的不同。可通过将自由吹胀容器108放入或紧挨模具102的腔104中或容器100、模具102或容器100的图纸等来进行自由吹胀容器108与腔104和/或容器100的比较。附加地，该比较可发生在计算机建模工具或电子制表的辅助下，例如，在其中输入模具102的腔104或容器100与自由吹胀容器108的规格，并且计算它们之间的不同。
[0034]
在步骤22比较中，随着由自由吹胀容器108占用的腔104的空隙空间增大，由得到自由吹胀容器108的预制件106形成的容器100更可能得到具有可接受的外观与可接受的表现能力的容器100。相似地，在比较自由吹胀容器108与容器100的情况下，随着最小化自由吹胀容器108与容器100的侧壁轮廓、外部型廓和尺寸之间的不同，由得到自由吹胀容器108的预制件106形成的容器100更可能得到具有可接受的外观与可接受的表现能力的容器100。自由吹胀容器108可具有大于容器100的尺寸，其中自由吹胀容器108的侧壁轮廓或型廓的某些区域可扩展到容器100的轮廓或型廓，或者容器100的轮廓或型廓可扩展到自由吹胀容器108。然而，无论容器106，108中的哪个扩展超过另一个，最终目的是最小化这些不同。
[0035]
为了最小化不同，可从本文以上作为参考的轮廓中选择不同于先前对比的预制件的具有不同尺寸或参数的预制件，或者在步骤20自由吹胀中自由吹胀不同的预制件，并且重复步骤22比较。可替代地，可在步骤22比较之前，在不同工艺条件下但使用相同预制件106执行步骤20自由吹胀。在这种方式下，仅重复步骤20自由吹胀，并且由于不需要模具或者模具设计，因此执行步骤20自由吹胀相对地快速和简单。步骤20自由吹胀最初可包括在
大量及不同工艺条件下自由吹胀大量及不同的预制件。
[0036]
大量的预制件与从自由吹胀容器的参考指南中选择的自由吹胀容器可得到在其表现和审美上可接受的容器，同时最小化自由吹胀容器108与腔104或容器100自身之间的不同将得到形成预制件106的最优的材料分布。因此，最优化容器100的材料分布将得到最少的表面缺陷和在材料成本上的减少，并且克服容器100的过度设计。
[0037]
一旦根据本文描述的方法确定了希望的自由吹胀容器108的设计，则在步骤24中使用在已知条件(例如，温度、流体压力等)下用于形成希望的自由吹胀容器108的预制件106制造容器100。可在得到在步骤18选择预制件的步骤22比较中与容器100最优重叠的自由吹胀容器108的条件和尺寸下，小批量试验或全规模地制造容器100。
[0038]
在一个实施例中，使用液体作为自由吹胀介质来获得自由吹胀容器108。在获得后，可将自由吹胀容器108看作这样的验证：无论用于形成容器100的吹胀介质是何形式，可使用预制件106来获得具体的容器形状、体积、重量、尺寸等。例如，一旦通过创造使用液体作为吹胀介质的自由吹胀容器108来验证了使用预制件106获得的具体的容器侧壁轮廓、形状、体积、重量、尺寸等，则可创造基于自由吹胀容器108的容器100的设计。因为自由吹胀容器108提供了可将预制件106形成到使用其他容器形成工艺的希望的容器100中的验证，则可使用空气作为吹胀介质来大批量生产来自预制件106的容器100。在这种方式下，设计人员可通过首先考虑预制件106的特征来设计容器100，而不是迭代地设计预制件106以获得容器100的期望的侧壁轮廓。
[0039]
通过使用本发明的方法，塑料容器的设计变得更少地迭代并且更多地基于可计量的且已知的参数，而不是“猜测和检测”方法学。已知的塑料容器设计方法包括创造容器并试验预制件以确定是否或如何更改这样的预制件或工艺条件来得到期望的容器，而本发明包括这样一种方法：创造容器并基于在已知的工艺条件下预制件被自由吹胀时如何表现来确定可接受的预制件以形成容器。因此，本质上本发明的方法是不迭代的，并且将容器从概念到制造的时间和成本减到最小。具体地，时间从月或周被减少到天。
[0040]
从上述描述中，本领域普通技术人员能够容易知悉本发明的实质特性，并且在不脱离本申请的精神和范围的前提下，能够对本发明做出多种改变和修改，以使本发明适用于多种使用方式及环境条件。