一種加熱預成型件的方法,一種驅動裝置,一種預成型件加熱系統以及一種電腦程式的製作方法

2023-09-15 02:49:00

專利名稱：一種加熱預成型件的方法,一種驅動裝置,一種預成型件加熱系統以及一種電腦程式的製作方法
技術領域：
本發明描述了ー種加熱預成型件的方法。本發明還描述了ー種驅動裝置、ー種預成型件加熱系統以及ー種用於加熱預成型件的電腦程式。
背景技術：
現今，大多數飲料容器是諸如PET (聚對苯ニ甲酸こニ醇酯)之類的材料的輕量塑料瓶，該塑料瓶以兩步驟エ藝製造。在第一步驟中，用原材料創建所謂的中空的「預成型件」，例如通過緩慢、高溫擠出エ藝來創建。在第二步驟中，這些中空預成型件的「壁」再次被加熱(此次加熱至它們的再結晶點以下的溫度，即在大約130°C以下)，然後經由吹塑而形成為期望的瓶形狀。在最先進的現有技術的預成型件加熱爐中，這種加熱是使用滷素燈來實施的，對於所述滷素燈而言，寬發射光譜中的顯著部分位於紅外區域中。在加熱エ藝期間，熱能「沉積」在預成型材料中。儘管紅外加熱技術在技術上得到良好發展，但是其具有能效受限的缺點。能效低的ー個原因是滷素燈發射的輻射不能被有效地引導或聚焦。然而，主要的原因是滷素燈的發射光譜與預成型材料的吸收光譜的較差匹配，這導致在預成型件的不適當區域中的能量吸收，例如在它的外表面中的能量吸收。這導致在預成型件壁的ー些區域中更高的溫度，而其它區域被不充分加熱。例如預成型件的外表面可以變得非常熱，而內表面被不充分加熱。此外，由於材料的熱導率的緣故，在預成型件的壁內沉積的能量的分布並不一定導致相同的溫度分布。這樣的溫度梯度或者熱點使得難以確保後續的吹塑階段的均勻質量，並且甚至可以導致對預成型件外表面的損壞。因此，一些現有技術的エ藝甚至在加熱エ藝期間採取(resort)對預成型件的附加冷卻(例如藉助於強制通風冷卻)；從能量消耗的觀點來看顯然是昂貴且低效的措施，且因此並不理想。可替代地，在現有技術的爐中，不想要的溫度梯度可以藉助「平衡階段」(即，在預成型材料內部的熱傳導應導致在預成型件壁中的溫度的均衡的時間延遲)來處理。這些平衡階段典型地耗費數秒(多達10秒)。然而，將這些階段包括在加熱エ藝中意味著總エ藝時間延長，從而提高預成型件加熱エ藝的總成本。

發明內容
因此，本發明的目的是提供一種避免上述問題的更經濟有效的預成型件加熱エ藝。本發明的該目的藉助於根據權利要求I的加熱預成型件的方法和根據權利要求10的驅動裝置來實現。根據本發明，加熱用半徑、材料厚度和預成型件材料吸收光譜表徵的預成型件的方法包括步驟基於期望的溫度廓線、預成型件半徑以及材料厚度選擇預成型件的期望有效吸收係數；以及產生具有基於吸收光譜的吸收係數(即，基於吸收光譜的至少ー個吸收係數)編譯的波長譜的雷射輻射束，以滿足有效吸收係數。該方法還包括步驟將雷射輻射束引導至預成型件處以加熱預成型件。這裡，預成型件被理解為任何「預成型的」物體或エ件，優選地為圓柱形且中空的，其將被加熱以便被軟化以用於後續的吹塑步驟。這樣的預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製成。此外，「有效吸收係數」可以被看作在光的特定波長下預成型件材料的吸收光譜的吸收係數的函數。雷射輻射的術語「波長譜」被理解成意為具有它們的相對強度的雷射輻射束的輻射波長的「集合」，不論這些是離散波長還是覆蓋連續範圍的波長範圍。由於光子的波長同樣可以藉助其能量或頻率來描述，因此雷射輻射的術語「能量譜」或「頻譜」可以被認為等同於術語「波長譜」。因此，如下面將闡述的，波長譜可以例如通過選擇具有適當波長或波長範圍的雷射輻射源並混合或疊加來自這些雷射輻射源的處於合適強度水平的輻射來「編譯」。有效吸收係數被理解成等同於針對入射輻射光譜的實際吸收(例如在預成型件中)，該實際吸收是針對所有的相關輻射波長而計算的。針對給定輻射光譜的有效吸收係數a6ff可以用下面的公式表達

a# =--*ln wk *exp(-a^ *r)
(I)其中，t是材料厚度(在這種情況下為預成型件的壁厚度)，X是雷射輻射分量的波長，a A是該材料在該波長(例如，從用於該材料的吸收譜獲得)下的已知吸收係數，且Wa是針對該波長的加權因子。在公式(I)中，假定在離散波長下吸收，並且有效吸收係數被表達為和。明顯地，該吸收同樣能夠良好地在波長連續範圍內進行，在這種情況下，有效吸收係數將被表達為對應的積分。在任ー情況下，所有加權因子一起的總和應當為ー或為I. O。通過適當選擇波長和/或要使用的針對每個波長的加權因子，公式⑴可以被反向使用，即，用來「編譯」或者「組裝」導致具有期望值的有效吸收係數的輻射光譜，例如藉助於被吸收的能量的某個期望分布而確定。有效吸收係數的「解析度」在一定程度上可以取決於可用的雷射輻射源的能力以及這些能力可以與被加熱的材料的吸收係數匹配得有多好。顯然，當使用包括許多不同地調諧的単獨雷射輻射源的雷射輻射源時，可以在導致在材料中適當吸收波長處產生輻射，使得期望的有效吸收係數a rff能夠被高精度地再現。然而，即使在僅具有有限數量的可用波長的系統中，由加權因子提供的自由度可以被運用達到良好效果以獲得對有效吸收係數a eff的期望的值的接近近似值。根據本發明的方法的優點在於包含在雷射輻射束中並應用於預成型件的能量將被最優地沉積，即被預成型件吸收。相比於現有的加熱技術，在根據本發明的方法中，能量更均勻地、優選地基本均勻地沉積在整個預成型件材料上。因為預成型件的有效吸收係數是基於預成型件的半徑和材料厚度來選擇的，所以有效吸收係數精確地適合這種類型的預成型件。使用這個有效係數作為靶子或目標，那麼「編譯」包括雷射輻射波長譜的雷射輻射束是可能的，該雷射輻射束在被引導至預成型件處時將根據有效吸收係數來加熱預成型件。
令人驚訝地是，已經觀察到，實現在預成型件壁中的期望的溫度廓線所必需的有效吸收係數不一定與記錄在該預成型件材料的吸收光譜中的最大吸收的值相一致。因此，有效吸收係數(以及其他參數)可以優選地被選擇成使得能量吸收密度在整個預成型件體上是基本均勻的。相比現有技術的方案，這允許更有能效的加熱エ藝，而在現有技術的方案中，在預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。此外，使用根據本發明的方法，避免了預成型件的區域中的局部過熱，使得無需現有技術的方案所需要的低效且昂貴的冷卻。根據本發明的用於控制預成型件加熱系統的雷射輻射產生單元的驅動裝置包括用於獲得預成型件幾何參數、預成型件吸收光譜和預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，用於基於預成型件幾何參數和期望溫度廓線選擇有效吸收係數；和雷射參數編譯器模塊，用於基於預成型件材料的對應吸收係數編譯雷射波長譜來滿足有效吸收係數，且用於基於期望的相對有效吸收係數來選擇雷射輻射束的雷射束寬度。該驅動裝置還包括輸出接ロ，其用於向雷射輻射產生単元提供涉及所選擇的雷射輻射波長譜和雷射束寬度的控制信號。從屬權利要求和後續的描述公開了本發明的特別有利的實施例和特徵。由於有效吸收係數取決於預成型件的半徑，因此有效吸收係數優選地以兩步驟的方式導出在第一步驟中，基於期望的溫度廓線、預成型件半徑以及材料厚度來選擇預成型件的期望的相對有效吸收係數。在第二步驟中，隨後從相對有效吸收係數導出有效吸收係數。術語「相對有效吸收係數」(a eff R)被理解成是有效吸收係數a eff乘以預成型件的半徑R。它是給出了對熱能被預成型件吸收的方式的指示的值。相對有效吸收係數值的集合可以獨立於預成型件的材料而被確定，並且可以被可視化為點空間內的點的區域，該點空間由藉助於預成型件厚度與預成型件半徑的比率以及藉助於雷射輻射束寬度與預成型件半徑的比率而給定的範圍界定。稍後將藉助於圖表來更詳細地說明這一點。相應地，驅動裝置的選擇裝置優選地包括選擇模塊，用於基於預成型件幾何參數和期望的溫度廓線來選擇相對有效吸收係數；以及導出模塊，用於從相對有效吸收係數導出有效吸收係數。雖然相對有效吸收係數可以從包含極端值(例如極窄或極寬的雷射束，或者相對於半徑來說極薄或極厚的預成型件壁)的寬範圍中選擇，但是一般來說，期望的相對有效吸收係數將位於更小的實際範圍內。因此，根據本發明，加熱預成型件的方法包括產生包括具有被(基於預成型件材料的吸收光譜的一個或多個吸收係數)編譯的波長譜的雷射輻射的雷射輻射束以滿足有效吸收係數，使得當雷射輻射束被引導至預成型件處時根據在I. 0-4. 0的範圍內、更優選在2. 0-3. 5的範圍內、且最優選在2. 5-3. 0的範圍內的期望的相對有效吸收係數來加熱預成型件。於是對於壁既不是極厚也不是極薄的通常類型的預成型件，可以針對使用可行的雷射束寬度而獲得的期望溫度廓線選擇有用的相對有效吸收係數。優選地，如果可以利用所選擇的相對有效係數實現期望的溫度廓線，則該相對有效係數可以從所給定的上限中選擇，這是因為觀察已表明，當使用來自該上限的這樣的值作為基礎來編譯雷射束時，這樣的值導致在加熱期間貫穿預成型件的非常有利的能量吸收密度。有效吸收係數能夠基於僅單個波長的雷射輻射來獲得；然而，使用多個雷射波長來編譯滿足期望的有效吸收係數的適當的光譜可能是更有益的，這是因為多個雷射的使用允許更加靈活地調節輻射光譜以適應改變的需求，例如從ー種預成型件材料改變成另ー種，或者從ー個預成型件尺寸改變成另ー個等等。雷射輻射束的寬度可以從近點(當雷射束作為窄的光束產生時)擴展到寬線(當例如雷射束呈扇形散開時)。到達目的地(在這種情況下為預成型件)的雷射輻射的強度將取決於雷射束的有效寬度。通常，寬光束的邊緣不如窄光束的邊緣限定清晰。典型地，雷射輻射的輻照度在光束中心處是最強的，並且朝向光束的外邊緣下降。雷射束的「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之間的光束寬度。在本發明方法開發期間，已經觀察到，被引導至預成型件處的雷射束的寬度也影響加熱エ藝。窄的點狀的輻射束可以加熱預成型件的「斑點」區域，而寬的扇形輻射束可以加熱預成型件的「帯狀」區域。此外，雷射束寬度也影響預成型件壁內部的溫度廓線對於
窄的光束，在預成型件內部比外部更容易實現更高的溫度，然而使用寬雷射束來獲得這樣的溫度梯度則困難得多。因此，在根據本發明的方法中，雷射輻射束的光束寬度被優選地確定成使得光束寬度的值除以預成型件半徑的值小於或等於0.5，更優選小於或等於0. 1，並且產生雷射輻以給出雷射輻射束的步驟包括根據所確定的光束寬度來成形雷射輻射束。在該範圍內選擇相對光束寬度的值允許非常有利地選擇相對有效吸收係數，就像上面描述的那樣。通常，由於涉及複雜的電子學，雷射輻射源將處於相對於預成型件的固定位置處，預成型件可以被傳輸以便以適當速度經過雷射輻射源。通常，預成型件被垂直保持並水平移動通過爐，但是顯然，爐可以被構造成預成型件可以以任何合適方式在其中被保持和傳輸。因為預成型件一般被移動經過雷射輻射源，所以這些雷射輻射源明顯地不能完全圍繞預成型件。因此，為了確保均勻加熱，預成型件優選地繞縱軸旋轉，由此該縱軸的取向相對於入射的雷射輻射束的主軸而言基本是橫向的。例如，雷射輻射束可以被水平引導至經過的預成型件處，並且預成型件可以繞垂直軸旋轉，使得雷射輻射束的主軸基本與預成型件表面垂直地撞擊該預成型件。某個「溫度廓線」可以利用雷射束的所選光譜組成和形狀來獲得。例如，已經觀察至IJ，當使用「寬」光束加熱時以及當雷射束光譜已經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)的相對有效吸收係數時，特定的預成型件在外部可以比在內部展現出更高的溫度。當使用窄光束加熱時以及當雷射束光譜已經被編譯以便創建具有來自以上指定的下限的值(例如與2.0接近的值)的相對有效吸收係數時，該相同預成型件可以展現出更高的內部溫度。因此，在本發明的特別優選的實施例中，期望的相對有效吸收係數是基於在加熱期間在預成型件外部區域和內部區域之間實現的特定的溫度梯度來選擇的。例如，預成型件加熱系統的控制器可以決定預成型件被最好地加熱以使得預成型件的內部比外部熱。使用這一點作為性能目標，並且知道預成型件的幾何結構，控制器可以選擇對應的相對有效吸收係數和適當的光束寬度，使得利用合適的波長譜來編譯並相應地調控雷射輻射束。當所編譯的雷射輻射導致滿足期望的溫度廓線的溫度梯度時，例如「內部比外部略熱」，溫度的絕對值可能受到輻照持續時間影響。將預成型件暴露於雷射輻射更長持續時間將導致在整個預成型件上更高的溫度，同時總體溫度梯度持續滿足期望的溫度廓線。使用根據本發明的方法，預成型件內部能夠達到比外部更高的溫度，使得後續的吹塑步驟可以執行，並且使得成品(如飲料容器)的質量令人滿意地高。此外，與經常導致預成型件過熱的外表面的現有技術形成對照，還可以實現預成型件體的非常均勻的加熱。然而，取決於例如預成型件的材料，在預成型件壁中的全內反射的發生可以導致在預成型件的內表面或內部區域處溫度過高的情況。下面，描述可以微調預成型件的內部溫度的多個方案。在本發明的ー個優選實施例中，預成型件的內部區域的溫度藉助具有特定折射率的折射元件來調控，該折射元件位於預成型件的空腔中。這種折射元件可以簡單地是插入預成型件空腔中的杆或類似物體，並且被成形為使得它整齊地(neatly)適合空腔。優選地，選擇該折射元件的材料，以使得 折射元件的折射率與預成型件的折射率接近地匹配。例如，折射元件可以是與預成型件材料相同的材料或者是與預成型件材料非常類似的材料。於是，任何經過預成型件的輻照在預成型件的內表面將不再經受全內反射，而是將經過折射元件並繼續在另ー側上通過預成型件體顯現。通過這種方式，確保了不期望的過剩的能量不被沉積在預成型件的內部區域。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，這取決於期望的折射屬性。位於預成型件空腔中的折射元件的使用可以使雷射輻照能量有效地分布。然而，取決於預成型件材料、預成型件的幾何結構和雷射輻射源的選擇，雷射輻射的一些過剩部分的「處置」可能是所期望的。因此，在本發明另一個優選實施例中，可以藉助置於預成型件空腔中的熱吸收器來調控預成型件內部區域的溫度，所述熱吸收器吸收部分雷射輻射能量。以此方式，過剩的能量不是簡單地被重新引導至預成型件的另ー個區域，而是可以被部分或全部「移除」。該吸收器的材料可以基於它的吸收屬性(例如吸收所使用的所有波長或所使用的ー些或大部分波長的雷射輻射)來選擇。熱吸收器可以是固體，液體或者任何合適狀態。例如，預成型件可以在它們經過爐的路徑上被懸掛使得它們的開ロ端朝上，並且熱吸收器可以簡單地是倒入空腔中並且隨後在預成型件通過吹塑而被成形之前再次被倒出的水。預成型件通常圍繞軸旋轉，如上所述，使得雷射輻射的熱能在整個預成型件體上有效分布。在本發明另一個優選實施例中，熱吸收器包括能量吸收材料的半圓柱體，該半圓柱體相對於預成型件是基本固定的。驅動裝置優選地裝備有存儲器用來存儲涉及針對不同的預成型件幾何結構、雷射束寬度和所得到的溫度廓線的相對有效吸收係數的信息。這樣的存儲器可以適當地以查找表(LUT)或圖的形式存儲信息。例如，可以針對多種預成型件幾何結構、雷射束寬度和溫度梯度採集相對有效吸收係數數據，並且這些數據被存儲為點集。在隨後的步驟中，使用不同的預成型件幾何結構，可以通過在先前採集的數據的合適的點之間進行插值來確定相對有效吸收係數。自然地，在儲存器中儲存的數據可以隨時更新或増加新的數據點。根據本發明的預成型件加熱系統，特別是用於加熱預成型件的吹瓶設備，包括雷射輻射產生単元，其用於產生包括處於多個波長的雷射輻射分量的雷射輻射束；和如上所述的驅動裝置，其用於控制雷射輻射產生單元；和光束控制器，其用於引導雷射輻射束至預成型件處以加熱預成型件。
任何合適的雷射輻射源都可以被用來產生所需的雷射輻射束。優選地，雷射輻射束應當包括具有可變強度的幾個不同的波長或波長範圍，使得可變波長譜可以被編譯以適合被加熱的預成型件的類型。例如，合適的雷射輻射產生単元可包括多個半導體雷射器，其是緊湊的並且可以被布置在相對較小的(與十分龐大的紅外滷素燈相比)適合於照射預成型件的區域。另外，半導體雷射器是相對經濟的。特別適合的半導體雷射器的類型是垂直腔面發射雷射器(VCSEL)，因為VCSEL能通過對活性(active)介質和反射器層的適當選擇來調諧以傳遞某一波長的輻射，如本領域技術人員將已知的。因此，根據本發明的預成型件加熱系統的雷射輻射產生單元優選包括多個VCSEL，例如ー組VCSEL，其中每個VCSEL覆蓋在光譜的不同區域中的波長範圍，特別是在光譜的紅外範圍中的波長範圍。藉助於這樣的ー排VCSEL，「混合」或「編譯」具有匹配某個預成型件的波長的波長譜特別簡単，使得預成型件可被最優地加熱。針對這種雷射輻射源編譯的波長譜可以適當地包括離散的波長或者連續的波長。對於某些類型的預成型件，產生在窄波長範圍內的輻射以用於加熱エ藝的「微調」可能足夠了，同時利用可替代熱源實施基本加熱。因此，在本發明的另ー個優選實施例中， 除了上面描述的雷射輻射產生単元之外，預成型件加熱系統包括紅外輻射源，例如多個滷素燈。在本發明的另一方面，提出了用於加熱預成型件的電腦程式，其中該電腦程式包括程序代碼裝置，其用於當電腦程式在控制預成型件加熱系統的計算機上運行時使得如權利要求12所限定的預成型件加熱系統實施如權利要求I所限定的加熱預成型件的方法的步驟。應當理解，權利要求12的預成型件加熱系統，權利要求I的加熱預成型件的方法和權利要求15的電腦程式具有相似和/或相同的優選實施例，特別地，如從屬權利要求所限定的優選實施例。應當理解，本發明的優選實施例也可以是從屬權利要求和相應獨立權利要求的任
思？:ロ ロ o本發明的其他目的和特徵將根據下面的結合附圖考慮的詳細描述而變得明顯。然而，應當理解，附圖僅僅出於說明的目的而設計，而不是作為本發明的範圍的限定。


圖I示出通過預成型件的簡化的橫向橫截面和簡化的縱向橫截面；圖2示出在以現有技術加熱的預成型件的外部區域中的不期望的過熱的發展；圖3示出在製造預成型件中使用的示例性材料的簡化的吸收光譜；圖4示出相對於通過預成型件的橫向橫截面的雷射輻射束的輻照度分布，指示當使用根據本發明的方法加熱預成型件時通過該預成型件的雷射輻射所採取的路徑；圖5示出根據本發明的方法中使用的相對有效吸收係數的ー組特性曲線；圖6a示出通過預成型件的橫截面以及通過預成型件的兩個示例性輻射線所採取的路徑；圖6b示出通過預成型件的橫截面以及在根據本發明的預成型件加熱方法中用於折射雷射輻射的折射元件；
圖6c示出通過預成型件的橫截面以及在根據本發明的預成型件加熱方法中用於吸收雷射輻射的第一熱吸收器；圖6d示出通過預成型件的橫截面以及在根據本發明的預成型件加熱方法中用於吸收雷射輻射的第二熱吸收器；圖7示出包括根據本發明實施例的驅動裝置的吹瓶設備；圖8a示出使用根據本發明的方法的針對預成型件橫截面的射線追蹤模擬和第一加熱廓線；圖Sb示出使用根據本發明的方法的針對預成型件橫截面的射線追蹤模擬和第二加熱廓線；在附圖中，同樣的數字始終指代同樣的物體。圖表中的物體不一定按比例繪製。
具體實施方式
圖I示出通過預成型件I的本體3的橫向橫截面和縱向橫截面。準備用作飲料容器或瓶的預成型件I已以螺紋狀頸部2為特徵，與預成型件I的本體3相反的，該螺紋狀頸部2通常不經受任何加熱，因而在很大程度上保持不受對加熱的預成型件本體3的後續吹塑的影響。預成型件I的空腔4可以在預成型件經過爐或熔爐的路徑期間用於使預成型件I固定，因為吹瓶設備經常被稱為(termed by)例如預成型件被置於其上的杆或針。而當預成型件被加熱時，它可以圍繞它的縱軸5旋轉。當在爐中加熱時，預成型件I的本體3變熱並軟化，結果使得在後續的處理步驟中，在某一壓カ下強迫進入預成型件I的空腔4的空氣使預成型件本體3膨脹。預成型件I外部的合適的成形裝置可以用於成形飲料容器，例如給出凹槽或凹痕以使得容器易於保持。在現有技術的滷素爐中，其中紅外輻射是由成行排列在爐壁上的多個滷素燈泡發射的，預成型件基本上是通過熱傳導從外部到內部來加熱。因為熱傳導可能是相當緩慢的，常常出現ー個問題，即，當預成型件內部區域暖到足以用於後續吹塑步驟時，預成型件的外部區域H已經變得過熱了。由圖2中預成型件I的壁中的區域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成型件製造中使用的PET材料的吸收光譜。該圖示出吸收係數a (每mm)與波長\ (以納米為單位)的對應關係。圖中出現在某些波長處(例如在約1700nm和1900nm處)的峰值對應於高吸收，使得在這些波長處的輻射被吸收得特別好，使得在這些波長處的輻射中的能量在預成型件的本體中被轉化為熱能。在其他波長處(例如在400nm到IOOOnm之間的區域中)的輻射有效地穿過預成型件而沒有被吸收。在特定波長處的吸收係數可以例如使用下面的關係式通過實驗確定
I Zj \
I - - —— In —-
『いノ(2)其中，a A是在波長\處的吸收，Itl是入射的輻射強度(如果材料的反射率是不可忽略的，入射強度必須被相應地校正)，Ia是透射的強度，且tm是測試材料的厚度。這樣的數據是材料的特性且通常由製造商提供或者可被容易地測量。圖4示出了引導至在預成型件I處的雷射輻射束L沿著相對於預成型件I的縱軸(未示出)橫向的主軸40的輻照度分布。這裡，以橫向橫截面示出預成型件1，其具有半徑R和壁厚度t，預成型件I的中心位於X軸和y軸交叉點處。z軸垂直於由X軸和y軸給定的平面，並且對應於與經過爐時預成型件I可能圍繞其旋轉的縱軸。雷射輻射L展現於exp (_(y2+z2)/B2)成比例的正態或高斯分布IlasOT(y，z)，其具有有效雷射束寬度B，在該寬度處強度下降到它的最大值的1/e。因為本發明僅僅與能量吸收密度的徑向依賴有夫，Ilasw的Z-依賴在隨後的考慮中被忽略。路徑tpt2和t3是在穿過由下式給定的半徑r內的預成型件壁中的層的路途上的示例性雷射輻射線r = R-t+ y t (3)其中，Y^lo在穿過材料厚度At的路途上，雷射輻射強度減少了因子 導致在X方向附加的依賴性。為了確定由於沿著路徑tpt2被吸收的雷射輻射的緣
故而在預成型件I的環形區域41中的總能量吸收？(1)，必須計算關於吸收密度的積分，從而給出如下的表達式
權利要求
1.ー種加熱預成型件(I)的方法，所述預成型件用半徑(R)、材料厚度(t)和材料吸收光譜表徵，所述方法包括步驟 -依據期望的溫度廓線(Td)，基於預成型件半徑(R)和材料厚度(t)選擇用於預成型件⑴的期望有效吸收係數Urff)； -產生雷射輻射束(L)，其包括具有基於吸收光譜的吸收係數(a J編譯的波長譜的輻射，以滿足有效吸收係數(arff)； -以及將雷射輻射束(L)引導至預成型件(I)處以加熱預成型件(I)。
2.根據權利要求I的方法，其中，有效吸收係數(Cirff)從期望的相對有效吸收係數(aeff .R)導出，所述用於預成型件⑴的期望的相對有效吸收係數(a6ff *R)是基於期望的溫度廓線(Td)、預成型件半徑(R)以及預成型件材料厚度⑴而選擇的。
3.ー種加熱預成型件(I)、特別是根據權利要求I或2的方法，該預成型件用半徑(R)、材料厚度(t)和預成型件材料吸收光譜表徵，所述方法包括產生雷射輻射束(L)，其包括具有基於吸收光譜而編譯的波長譜的雷射輻射，以滿足有效吸收係數(a eff)，使得當雷射輻射束(L)被引導至預成型件(I)處時，雷射輻射束(L)根據在I. 0-4. 0的範圍中、更優選在2. 0-3. 5的範圍中、最優選在2. 5-3. 0的範圍中的期望的相對有效吸收係數(a eff -R)來加熱預成型件(I)。
4.根據權利要求I或2的方法，其中，用於雷射輻射束(L)的光束寬度(B)被確定以使得光束寬度(B)除以預成型件半徑(R)小於或等於0.5，更優選地小於或等於0. 1，並且產生雷射輻射以給出雷射輻射束(L)的步驟包括根據所確定的光束寬度(B)來成形雷射輻射束(L)。
5.根據權利要求I或2的方法，其中，基於在加熱期間在預成型件(I)外部區域和內部區域之間實現的特定的溫度梯度來選擇期望的相對有效吸收係數U eff R)。
6.根據權利要求I或2的方法，其中，藉助具有特定折射率的折射元件￠0)來調控預成型件(I)的內部區域的溫度，該折射元件(60)位於預成型件(I)的空腔(4)中。
7.根據權利要求I或2的方法，其中，藉助定位在預成型件(I)的空腔(4)中的熱吸收器(61，62)來調控預成型件(I)的內部區域的溫度，該熱吸收器(61，62)吸收雷射輻射的部分能量。
8.根據權利要求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)相對於預成型件(I)基本是固定的。
9.一種用於控制預成型件加熱系統(10)的雷射輻射產生單元(9)的驅動裝置(7)，所述驅動裝置(7)包括 -輸入接ロ(70)，用於獲得預成型件(I)的預成型件幾何參數(R，t)、預成型件吸收光譜以及期望的溫度廓線(Td)； -選擇裝置(72，73)，用於依據期望的溫度廓線(Td)，基於預成型件幾何參數(R，t)選擇有效吸收係數(Ctejff)； -雷射參數編譯器模塊(74)，用於基於吸收光譜的吸收係數(a A)來編譯雷射輻射波長譜以滿足有效吸收係數(a eff)，並且用於基於期望的相對有效吸收係數(a rff R)來選擇用於雷射輻射束(L)的雷射束寬度(B)； -以及，輸出接ロ(75)，用於向雷射產生單元(9)提供涉及所編譯的雷射輻射波長譜和雷射束寬度(B)的控制信號。
10.根據權利要求9的驅動裝置(7)，其中，選擇裝置(72，73)包括選擇模塊(72)，其用於基於預成型件幾何參數(R，t)以及期望的溫度廓線(Td)來選擇相對有效吸收係數(aeff .R);以及，導出模塊(73)，其用於從相對有效吸收係數(Cirff *R)導出有效吸收係數(a eff)。
11.ー種用於控制用於加熱預成型件(I)的預成型件加熱系統(10)的雷射輻射產生單元(9)的驅動裝置(7)，特別是根據權利要求9或10的驅動裝置，所述預成型件(I)用半徑(R)、材料厚度(t)以及預成型件材料的吸收光譜表徵，所述驅動裝置(7)包括配置裝置 (72，73，74)，其用於配置雷射輻射產生單元(9)以產生雷射輻射束(L)用來根據在I. 0-4. 0的範圍中、更優選在2. 0-3. 5的範圍中、以及最優選在2. 5-3. 0範圍中的期望相對有效吸收 係數(aeff*R)來加熱預成型件(I)，所述雷射輻射束(L)包括基於吸收光譜編譯的波長譜，以滿足從相對有效吸收係數(a rff R)導出的有效吸收係數(a eff)。
12.—種預成型件加熱系統(10)，特別是用於加熱預成型件(I)的吹瓶設備(10)，所述系統包括 -根據權利要求9或權利要求11的驅動裝置(7)，用於編譯包括多個雷射輻射波長(入，入2，...，入n)的雷射輻射波長譜，且用於選擇期望的雷射束寬度(B)； -雷射輻射產生單元(9)，用於產生根據雷射輻射波長譜的雷射輻射；以及 -光束成形単元(76)，用於根據期望的光束寬度(B)成形雷射輻射，並且用於將成形的雷射輻射束(L)引導至預成型件(I)處以加熱預成型件(I)。
13.根據權利要求12的預成型件加熱系統(10)，其中，雷射輻射產生單元(9)包括多個垂直腔面發射雷射器。
14.根據權利要求12的預成型件加熱系統(10)，包括附加的紅外輻射源。
15.一種用於加熱預成型件的電腦程式，所述電腦程式包括程序代碼裝置，該程序代碼裝置用於當所述電腦程式在控制如權利要求12限定的預成型件加熱系統的計算機上運行時使得所述預成型件加熱系統實施如權利要求I限定的加熱預成型件的方法的步驟。
全文摘要
本發明描述了一種加熱預成型件(1)的方法，該預成型件(1)用半徑(R)、材料厚度(t)和材料吸收光譜表徵，所述方法包括步驟依據期望的溫度廓線，基於預成型件半徑(R)和材料厚度(t)選擇用於預成型件(1)的期望的有效吸收係數；產生雷射輻射束(L)，其包括具有基於吸收光譜的吸收係數而編譯的波長譜的輻射，以滿足有效吸收係數；以及將雷射輻射束(L)引導至預成型件(1)處以加熱預成型件(1)。本發明還描述了一種用於控制預成型件加熱系統(10)的雷射輻射產生單元(9)的驅動裝置(7)、一種預成型件加熱系統(10)以及一種電腦程式。
文檔編號B29C35/08GK102656002SQ201080041337
公開日2012年9月5日 申請日期2010年9月8日 優先權日2009年9月15日
發明者J·波爾曼雷奇, M·施特勒澤, P·佩卡爾斯基 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司