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Technisches Gebiet
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Es werden ein Verfahren zum Einbringen mindestens einer Öffnung in einen Formkörper aus einem faserhaltigen Material, ein Formwerkzeug zum Einbringen mindestens einer Öffnung mit einem nicht linearen Verlauf in einen Formkörper aus einem faserhaltigen Material sowie ein Formkörper aus faserhaltigem Material, aufweisend mindestens einen Flächenabschnitt, wobei der mindestens eine Flächenabschnitt mindestens eine Öffnung mit einem nicht linearen Verlauf aufweist, beschrieben.
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Hintergrund
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Faserhaltige Materialen werden vermehrt eingesetzt, um bspw. Verpackungen für Lebensmittel (bspw. Schalen, Kapseln, Boxen, etc.) und Konsumgüter (bspw. elektronische Geräte etc.) sowie Getränkebehälter herzustellen. Die faserhaltigen Materialien können dabei Naturfasern aufweisen, die bspw. aus nachwachsenden Rohstoffen oder Altpapier gewonnen werden. Die Naturfasern können in einer sogenannten Pulpe mit Wasser und ggf. weiteren Zusätzen, wie z.B. Stärke, vermischt und anschließend geformt werden. Zusätze können zudem Auswirkungen auf die Farbe, die Barriereeigenschaften und mechanische Eigenschaften haben. Eine Pulpe kann einen Anteil an Naturfasern von bspw. 0,1 bis 10 Gew.-% aufweisen. Der Anteil an Naturfasern kann in Abhängigkeit des Verfahrens, welches zur Herstellung von Verpackungen etc. angewandt wird, und der Produkteigenschaften des herzustellenden Produkts variieren. Fasern, wie bspw. Naturfasern, können auch in einem trockenen Zustand in Formwerkzeuge eingebracht und darin bearbeitet bzw. geformt werden. Alternativ können solche Fasern zu Ausgangsmaterialien für eine anschließende Formgebung verarbeitet werden. Ausgangsmaterialien für eine weitere Verarbeitung können bspw. sog. Bahnen oder Bögen, wie bspw. Airlaid, Fluff-Pulp, Papier etc. sowie Mehrschicht-Anordnungen aus den vorstehenden Materialien, aus einem faserhaltigen Material sein, die dann in einem Formwerkzeug umgeformt werden.
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Herstellungsverfahren für Produkte bzw. Formkörper aus einem faserhaltigen Material umfassen einen Wet-Prozess, wobei die Formkörper aus Fasern verpresst werden, die aus einer wässrigen Suspension angesaugt und in einem oder mehreren Prozessschritten unter Wärme und Druck zu fertigen Formkörpern verpresst werden. Ein weiteres Herstellungsverfahren betrifft einen sogenannten Dry-Prozess, wobei ein verhältnismäßig lockerer Faserverbund (z.B. Airlaid) mit geringem Feuchtegehalt unter hohem Druck und Wärme zu fertigen Formkörpern verpresst wird.
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Bei faserhaltigen Produkten bzw. Formkörpern sind häufig Öffnungen in einem Flächenabschnitt erforderlich, damit bspw. eine Flüssigkeit in einen Innenraum eingebracht werden kann (bspw. bei Kaffeekapseln) oder um einen Strohhalm oder dergleichen durchzuführen (bspw. bei Deckeln für Getränkebehälter). Bisher wurden solche Öffnungen durch ein Ausstanzen von Löchern eingebracht. Dabei entsteht zum einen Abfall, welcher aus einem Stanzwerkzeug ausgebracht werden muss. Darüber hinaus neigen solche Öffnungen dazu auszufransen, was dazu führt, dass die Öffnungen weiter einreißen können und sich faserhaltiges Material löst, welches bspw. in ein Getränk gelangt.
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Aufgabe
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Es besteht daher die Aufgabe darin, eine Lösung anzugeben, welche die Nachteile des Stands der Technik behebt, und eine Lösung für Öffnungen in Formteilen aus einem faserhaltigen Material bereitstellt, die abfalllos hergestellt werden können, nicht dazu neigen einzureißen oder auszufransen sowie einfach hergestellt werden können, wobei die Anforderungen an den Herstellungsprozess und eine Werkzeugausbildung erheblich reduziert sind.
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Lösung
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Einbringen mindestens einer Öffnung in einen Formkörper aus einem faserhaltigen Material gelöst, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- - Bereitstellen eines Formkörpers aus einem faserhaltigen Material, der mindestens einen Flächenabschnitt aufweist,
- - vollständiges Durchtrennen mindestens eines Bereichs des mindestens einen Flächenabschnitts zum Einbringen mindestens einer Öffnung,
wobei die mindestens eine Öffnung einen nicht linearen Verlauf aufweist.
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Die Ausbildung eines nicht linearen Verlaufs der Öffnung ermöglicht es, einen verhältnismäßig großen Öffnungsquerschnitt bereitzustellen, ohne dass Abfall produziert wird. D.h. es wird kein Material ausgestanzt, sondern durch den nicht linearen Verlauf der mindestens einen Öffnung kann ein von der mindestens einen Öffnung umgebender Materialabschnitt umgebogen werden, wenn bspw. ein Strohhalm eingebracht wird oder eine Flüssigkeit (z.B. heißes Wasser) mit hohem Druck auf den Bereich mit der mindestens einen Öffnung trifft.
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Bei als Kaffeekapseln ausgebildeten Formkörpern kann durch die Ausbildung der mindestens einen Öffnung mit einem nicht linearen Verlauf eine Ablenkfläche durch den Materialabschnitt, welcher von der mindestens einen Öffnung umgeben ist, bereitgestellt werden. Die Ablenkfläche kann dazu dienen, einströmendes Wasser abzulenken, so dass bspw. der gesamte Innenraum einer Kaffeekapsel durchströmt wird. Ferner ist es möglich einen Filter auszubilden. In weiteren Ausführungen kann auch der Austritt von Kaffee aus einer Kaffeekapsel beeinflusst werden.
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Mit der Ausbildung von Öffnungen mit einem nicht linearen Verlauf lässt sich bei Kaffee eine Schäumung („Crema“) und ein besonders gutes Kaffeearoma erreichen. Bei bekannten Ausführungen von Kaffeekapseln waren es bisher notwendig Einlegeteile in Kaffeekapseln einzubringen, welche eine Umlenkung von einströmendem Wasser zum Erreichen der Kaffeeeigenschaften durch ein entsprechendes Durchströmen erreichen. Durch die beschriebene Ausbildung von Öffnungen mit einem nicht linearen Verlauf kann auf solche Einlegeteile verzichtet werden.
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Ein nicht linearer Verlauf kann bspw. bogenartig oder geknickt ausgeführt sein. Bspw. kann ein Verlauf einen Kreisbogenabschnitt beschreiben.
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In weiteren Ausführungen kann das Einbringen der mindestens einen Öffnung durch ein zunehmendes Eintauchen eines Schneidwerkzeugs erfolgen, wobei die Öffnung beim Eintauchen des Schneidwerkzeugs zunehmend erzeugt wird. Damit wird ein sauberes Schneiden gegenüber einem schlagartig stattfindenden Stanzen erreicht, was den Vorteil einer definierten Schnittkante im faserhaltigen Material mit sich bringt. D.h. es wird insbesondere einem Einreißen oder Ausfransen entgegengewirkt. Weiterhin wird damit eine Vorzugsrichtung für den Materialabschnitt, welcher umgebogen werden kann, vorgegeben. So kann bspw. der Materialabschnitt nach dem Einbringen der Öffnung leicht ausgelenkt sein und sich in Bezug auf den Flächenabschnitt geneigt zu diesem befinden. Die Vorzugsrichtung ist dabei die Richtung, in welcher der Materialabschnitt umgebogen werden kann. In entgegengesetzter Richtung wird ein Umbiegen verhindert, bzw. stößt der Materialabschnitt an den Rändern der mindestens einen Öffnung an.
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In weiteren Ausführungen können mehrere Öffnungen gleichzeitig erzeugt werden, wobei die jeweiligen Öffnungen durch ein zunehmendes Eintauchen des Schneidwerkzeugs erzeugt werden.
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In weiteren Ausführungen kann zur Ausbildung einer durchbrechbaren Schwachstelle der zuvor vollständig durchtrennte mindestens eine Bereich mit der mindestens einen Öffnung in einem nachgelagerten Schritt verpresst werden, wobei das faserhaltige Material im mindestens einen durchtrennten Bereich gegeneinander verpresst und dadurch eine Verbindung im mindestens einen Bereich erzeugt wird, welche schwächer ist wie die Verbindung des faserhaltigen Materials im restlichen Bereich des mindestens einen Flächenabschnitts. Anschließend kann diese Verbindung durchbrochen werden, wenn bspw. ein Strohhalm eingeführt wird oder heißes Wasser mit verhältnismäßig hohem Druck (bspw. zwischen 3 und 20 bar) auf die Öffnung geleitet wird. Durch das Verpressen wird eine ausreichende Stabilität vor dem Durchstoßen bereitgestellt, so dass es nicht zu einem Austritt von bspw. Kaffeepulver kommt.
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Eine klappenartige Ausbildung des umbiegbaren Materialabschnitts verhindert zudem einen Austritt von Kaffeepulver und heißem Wasser entgegen der Vorzugsrichtung.
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In weiteren Ausführungen können der mindestens eine Bereich und/oder der mindestens eine Flächenabschnitt laminiert sein oder bspw. nach einem Verpressen zum Ausbilden einer durchbrechbaren bzw. durchstoßbaren Schwachstelle laminiert werden, um eine zusätzliche Beschichtung für eine Barriere etc. bereitzustellen.
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Dabei wird das faserhaltige Material an den gegenüberliegenden Oberflächen in der Trennstelle (bspw. Schnittflächen) des mindestens einen Bereichs nach einem vollständigen Durchtrennen gegeneinander verpresst, wobei im Bereich der Trennstelle eine kraftschlüssige Verbindung der Oberflächen erzeugt wird, wodurch die durchbrechbare Schwachstelle ausgebildet wird. Eine durchbrechbare Schnittstelle kann insbesondere durchstoßbar ausgebildet sein, so dass bspw. ein Durchstoßen mittels eines Strohhalms, durch Wasser mit hohem Druck dergleichen möglich ist. Das Verpressen des zuvor vollständig durchtrennten Bereichs bildet dabei eine Schwachstelle aus, die ausreichend stark gegen ein ungewolltes Durchdringen von Stoffen (bspw. Kaffeepulver) etc. ist, und zugleich einfach durchbrochen bzw. durchstoßen werden kann, ohne dass der Flächenabschnitt um den mindestens einen Bereich mit der Schwachstelle beschädigt wird. Eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Fasern des faserhaltigen Materials der getrennten Stellen besteht in der fertig ausgebildeten Schwachstelle nach dem Verpressen nicht.
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Dabei kann der Formkörper in weiteren Ausführungen nur aus dem faserhaltigen Material bestehen und muss bspw. keine Laminierung etc. aufweisen.
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Gegenüber bekannten Ausführungen ist die Herstellung von Schwachstellen einfach realisierbar und ermöglicht die Bereitstellung einer Vielzahl von Formkörpern mit gleichen Eigenschaften im Bereich der Schwachstelle. Insbesondere zeigen dabei die Schwachstellen aller Formkörper beim Durchbrechen bzw. Durchstoßen ein gleiches Verhalten und beschädigen den Flächenabschnitt um den mindestens einen Bereich nicht. Das Durchtrennen des mindestens einen Bereichs und das anschließende Verpressen des mindestens einen Bereichs können prozesstechnisch einfach realisiert werden.
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In weiteren Ausführungen kann die Schichtdicke des faserhaltigen Materials im mindestens einen Bereich reduziert werden. Die Reduzierung der Schichtdicke kann beim Verpressen erfolgen, so dass die Kraft auf die gegenüberliegenden Oberflächen im Bereich der Trennstelle erhöht wird. Dabei kann durch ein entsprechendes Presswerkzeug mit einer ausreichend großen Pressfläche sichergestellt werden, dass es beim Verpressen nicht zu einer Ausweichbewegung des faserhaltigen Materials kommt. D.h. die Ausrichtung und der Verlauf des Flächenabschnitts können auch beim Verpressen beibehalten werden. Zusätzlich kann dabei die Schichtdicke eines Abschnitts neben dem mindestens einen Bereich reduziert werden.
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In weiteren Ausführungen wird durch das Verpressen keine stoffschlüssige Verbindung von Fasern des faserhaltigen Materials im mindestens einen Bereich hergestellt.
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In weiteren Ausführungen kann das Verpressen bei einer Temperatur im Bereich von 1 bis 250 °C erfolgen. Vorzugsweise kann das Verpressen ab etwa Raumtemperatur, also 20 °C erfolgen.
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In weiteren Ausführungen kann das Verpressen bei einem Druck im Bereich von 1 bis 250 N/mm2, insbesondere im Bereich von 100 bis 200 N/mm2, erfolgen.
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In weiteren Ausführungen kann das Bereitstellen des Formkörpers zusätzlich einen Herstellschritt aufweisen, wobei faserhaltiges Material zu einem Formkörper geformt wird. ein solcher Herstellschritt ist der Ausbildung des Formkörpers vorgelagert und kann bspw. in einer gemeinsamen Anlage durchgeführt werden. Alternativ kann der Formkörper vorab hergestellt und anschließend einer Einrichtung zur Herstellung von Schwachstellen zugeführt werden. Der Herstellschritt kann bspw. ein Formen von Formkörpern aus einer Pulpe oder aus einem verhältnismäßig trockenen Material (bspw. Airlaid etc.) aufweisen.
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In weiteren Ausführungen kann nach dem Durchtrennen des mindestens einen Bereichs und vor dem Verpressen des mindestens einen Bereichs ein Befeuchten des mindestens einen Bereichs erfolgen. Das Befeuchten kann das anschließende Verpressen positiv beeinflussen, so dass bspw. eine stärkere Komprimierung und damit ein stärkerer Druck auf die getrennten Oberflächen erzeugt wird (höhere kraftschlüssige Verbindung), da feuchteres Material - je nach Materialart und -verarbeitung - leichter verpresst werden kann. Dabei erfolgt keine stoffschlüssige Verbindung, so dass der Vorteil der kraftschlüssigen Verbindung der Schwachstelle beibehalten wird.
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In weiteren Ausführungen können das Durchtrennen und/oder das Verpressen des mindestens einen Bereichs auf gegenüberliegenden Seiten des mindestens einen Flächenabschnitts erfolgen. Dabei kann auch eine Reduzierung der Schichtdicke auf beiden Seiten erfolgen.
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch durch ein Formwerkzeug zum Einbringen mindestens einer Öffnung mit einem nicht linearen Verlauf in einen Formkörper aus einem faserhaltigen Material gelöst, aufweisend mindestens ein Schneidwerkzeug, das mindestens ein Schneidelement aufweist, welches eine entsprechend dem nicht linearen Verlauf der mindestens einen Öffnung nicht linear verlaufende Schnittkante aufweist, wobei die Schnittkante gegenüber einem Bereich eines Flächenabschnitts eines Formkörpers, in den die mindestens eine Öffnung einzubringen ist, nicht parallel verläuft, so dass während des Einbringens der mindestens einen Öffnung ein Durchtrennen des faserhaltigen Materials über eine Länge der mindestens einen Öffnung zunehmend durchführbar ist.
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Durch das zunehmende Einbringen der mindestens einen Öffnung mit einem nicht linearen Verlauf wird zum einen eine definierte Schnittkante erzeugt und zum anderen eine Filter-/Ventilfunktion bereitgestellt, da der Materialabschnitt, welcher vom durchtrennten Bereich umgeben ist, in nur einer Richtung bewegt werden kann. Eine solche Ausbildung des Schneidelements ermöglicht es zudem die Schnittkräfte zu reduzieren, so dass das faserhaltige Material weniger dazu neigt unkontrolliert einzureißen oder überhaupt nicht einreißt. Ein ziehender Schnitt ermöglicht daher eine verbesserte Ausbildung einer Öffnung und wirkt sich auch positiv auf das vorstehend beschriebene Verfahren zum Einbringen von Öffnungen auf, weil höhere Toleranzen akzeptiert werden können. Außerdem sind geringere Schnittkräfte bei einem ziehenden Schnitt vorteilhaft, da das Material weniger Stress ausgesetzt ist.
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In weiteren Ausführungen kann das mindestens eine Schneidelement relativ zum Flächenabschnitt zum Einbringen der mindestens einen Öffnung verlagerbar sein.
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In weiteren Ausführungen kann die Schnittkante in Bewegungsrichtung einen variierenden Verlauf aufweisen.
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In weiteren Ausführungen kann das mindestens eine Schneidelement zylinderförmig ausgebildet ist und mindestens zwei Schnittbereiche aufweist, die gegenüber mindestens einem weiteren Schnittbereich einen geringeren Abstand zu dem Flächenabschnitt aufweisen.
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In weiteren Ausführungen kann das Formwerkzeug mehrere Schneidelemente aufweisen.
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird ferner durch einen Formkörper aus faserhaltigem Material gelöst, aufweisend mindestens einen Flächenabschnitt, wobei der mindestens eine Flächenabschnitt mindestens eine Öffnung mit einem nicht linearen Verlauf aufweist, wobei durch den nicht linearen Verlauf der mindestens einen Öffnung ein von der mindestens einen Öffnung umgebender Materialabschnitt gefedert ist.
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Die gefederte Ausbildung des Materialabschnitts kann wie vorstehend beschrieben ausgeführt sein, so dass ein Auslenken des Materialabschnitts in nur einer Richtung möglich ist. Somit lassen sich verschiedene Funktionen (Filter, Ventil) allein durch die Ausbildung der mindestens einen Öffnung erreichen, wobei auf weitere Elemente verzichtet werden kann und die Bereitstellung der Funktionen sehr einfach ist.
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Weitere Merkmale, Ausgestaltungen und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Darstellung von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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In den Zeichnungen zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Flächenabschnitts eines Formteils während des Einbringens einer Öffnung in einem Formwerkzeug;
- 2 eine weitere schematische Darstellung des Flächenabschnitts von 1 während des Einbringens einer Öffnung in einem Formwerkzeug;
- 3 eine schematische Darstellung eines Schneidelements eines Formwerkzeugs;
- 4 schematische Darstellungen von Öffnungen mit einem nicht linearen Verlauf;
- 5 eine schematische Darstellung der Ausbildung von Öffnungen im Schnitt; und
- 6 eine schematische Darstellung eines Flächenabschnitts eines Formkörpers beim Verpressen einer Öffnung.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Nachfolgend werden mit Bezug auf die Figuren Ausführungsbeispiele der hierin beschriebenen technischen Lehre dargestellt. Für gleiche Komponenten, Teile und Abläufe werden in der Figurenbeschreibung gleiche Bezugszeichen verwendet. Für die hierin offenbarte technische Lehre unwesentliche oder für einen Fachmann sich erschließende Komponenten, Teile und Abläufe werden nicht explizit wiedergegeben. Im Singular angegebene Merkmale sind auch im Plural mitumfasst, sofern nicht explizit etwas anderes ausgeführt ist. Dies betrifft insbesondere Angaben wie „ein“ oder „eine“.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Flächenabschnitts 10 eines Formteils während des Einbringens einer Öffnung 16 in einem Formwerkzeug 30. Formteile aus einem faserhaltigen Material können insbesondere dreidimensionale Formteile sein, die zur Aufnahme, Aufbewahrung und/oder Ausgabe von Flüssigkeiten, etc. dienen. Bspw. kann ein dreidimensionales Formteil aus faserhaltigem Material eine Kaffeekapsel sein. Solche Kaffeekapseln weisen einen Aufnahmeraum auf, der mit einem Kaffeepulver gefüllt wird bzw. ist und von einer Seitenwand, einer Bodenfläche und einer weiteren Abdeckung verschlossen ist, wobei die weitere Abdeckung in der Regel nach dem Befüllen aufgebracht wird. Sämtliche Bestandteile können dabei aus einem faserhaltigen Material bestehen, wobei die Bestandteile bspw. in einem eingangs erwähnten Wet- oder Dry-Formprozess hergestellt worden sind. In weiteren Ausführungen können die äußere und/oder die innere Oberfläche, welche direkt mit einem Inhalt (z.B. Kaffeepulver) in Kontakt steht, eine Barriere aufweisen. Bspw. können die Oberflächen laminiert sein.
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Kaffeekapseln weisen bspw. einen Einstichbereich auf, um ein Einbringen von heißem Wasser mit einem Druck von etwa 10-20 bar bereitzustellen, wobei der Einstichbereich mehrere kleine Öffnungen umfassen kann. Die Öffnungen können bspw. durch Einstichmittel einer Kaffeemaschine beim Schließen in einem Brühraum geöffnet bzw. erzeugt werden. Weiterhin weisen Kaffeekapseln an der gegenüberliegenden Seite einen Bereich auf, über den die in die Kaffeekapseln eingebrachte Flüssigkeit als Kaffee austritt. Hierzu werden ebenfalls kleine Öffnungen erzeugt. Gerade die Ausbildung der Austrittsöffnungen ist für die Qualität und Konsistenz von Kaffee entscheidend.
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Bei Kaffeekapseln aus faserhaltigem Material können die durch Einstichmittel der Kaffeemaschine eingebrachten Öffnungen sehr ungenau ausgeführt sein. Das bedeutet, dass die Öffnungen leicht aufreißen und keinen klaren Rand aufweisen, so dass insbesondere der Austritt von Kaffee nicht kontrolliert werden kann. Dies hat zur Folge, dass die Austrittsbereiche variierend große Öffnungen aufweisen, die sich unkontrolliert vergrößern können. Insbesondere für Kaffeekapseln aus faserhaltigem Material sind daher spezielle Zusatzelemente, wie bspw. Kunststoffgitter oder dergleichen erforderlich, um einer Zerstörung der Öffnungen entgegenzuwirken bzw. die Öffnungsweite (Größe und Querschnitt) auf ein vorgebbares Maß zu halten. Weiterhin kann durch solche Gitter der Austritt von Kaffee und damit ein Schäumen erzeugt werden. Analog gilt dies für die Ausbildung von Eintrittsöffnungen bei Kaffeekapseln.
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In weiteren Ausführungen können für Kapseln oder dergleichen aus einem faserhaltigen Material Öffnungen notwendig sein, die einen Druckausgleich bereitstellen. Darüber hinaus können für Kapseln oder dergleichen aus einem faserhaltigen Material Öffnungen 16 notwendig sein, die eine Filterwirkung aufweisen, wobei Stoffe (z.B. Kaffeepulver) zurückgehalten werden.
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Zur Bereitstellung von Öffnungen 16, die ohne Abfall erzeugt werden können und beim Eindringen von Medien bzw. Durchfließen (z.B. Wasser, Kaffee, etc.) oder Gegenständen (z.B. Trinkhalm) nicht einreißen und zerstört werden, wird vorgeschlagen, die Öffnungen 16 so auszubilden, dass diese einen nicht linearen Verlauf aufweisen. Damit ist es möglich, eine Öffnung 16 zu erzeugen, die eine verhältnismäßig große Öffnungsweite aufweist, dabei aber kein Austanzen erfordert und somit keinen Abfall erzeugt. Zudem kann ein Teil des faserhaltigen Materials als Ventil, zur Ent-/Belüftung („Venting Hole“) und als Ablenkmittel dienen, wozu ein Materialabschnitt als Klappe 14 ausgebildet sein kann. Eine solche Klappe 14 kann in nur einer Richtung bewegt werden und bei Verlagerung in die entgegengesetzte Richtung am Rand der Öffnung 16 anliegen und damit die Öffnung 16 dann versperren. Dies kann dazu dienen eine definierte Durchströmungsrichtung für Flüssigkeiten und Gase vorzugeben.
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In 1 ist schematisch ein Teil eines Formwerkzeugs 30 dargestellt, welches ein oberes Werkzeugteil mit mindestens einem Schneidelement 32 und ein Unterteil 38 aufweist. Das Unterteil 38 weist eine Öffnung 39 auf, die so ausgebildet ist, dass das Schneidelement 32 darin eintauchen kann, wie in 2 gezeigt.
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Zum Einbringen von Öffnungen 16 wird der Flächenabschnitt 10 eines Formteils so zwischen das obere Werkzeugteil mit dem Schneidelement 32 und das Unterteil 38 bewegt, dass ein Bereich 12 des Flächenabschnitts 10, in den die mindestens eine Öffnung 16 eingebracht werden soll, zu dem Schneidelement 32 und der Öffnung 39 ausgerichtet ist. Über einen Halterahmen 36 kann der Flächenabschnitt 10 gegenüber dem Unterteil 38 fixiert werden. Damit wird verhindert, dass das faserhaltige Material nachgeben kann und der Flächenabschnitt 10 verschoben wird oder eine Ausgleichsbewegung durchführt. In weiteren Ausführungen kann ein Halterahmen 36 oder eine ähnlich wirkende Einrichtung direkt mit dem oberen Werkzeugteil verbunden oder gekoppelt sein, so dass beim Schließen des Formwerkzeugs 30 zum Einbringen der Öffnung 16 automatisch ein Halten des Flächenabschnitts 10 erfolgt.
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Anschließend wird, wie durch den Pfeil angedeutet, das Schneidelement 32 relativ zur Öffnung 39 verlagert, wobei das Schneidelement 32 in das faserhaltige Material eintaucht und dabei eine Öffnung 16 in den Bereich 12 einbringt. 2 zeigt in einer weiteren schematischen Darstellung den Flächenabschnitt 10 von 1 während des Einbringens einer Öffnung 16.
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In dem Ausführungsbeispiel der 1 und 2 ist ein Schneidelement 32 gezeigt, dessen Schnittkante 34 parallel zum Flächenabschnitt 10 einen Kreis beschreibt und in Schließrichtung des Formwerkzeugs 30 zwei Maxima aufweist. D.h. die Schnittkante 34 des Schneidelements 32 weist einen in Schließrichtung einen variierenden Verlauf auf. Das Schneidelement 32 ist dabei ähnlich zu einem Stempel eines Lochers ausgebildet. Anders als beim Stanzen mit derartigen Lochstempeln wird das Schneidelement 32 in der gezeigten Ausführung nicht vollständig in das faserhaltige Material getaucht, so dass es nur im Bereich der Maxima, d.h. nicht über den gesamten Umfang der Schnittkante 34, zum Durchtrennen des faserhaltigen Materials kommt. Des Weiteren erfolgt das Durchtrennen bei der Ausführung von 1 und 2 nicht schlagartig, sondern zunehmend je weiter das Schneidelement 32 verlagert wird. Dabei wird das faserhaltige Material nicht im gesamten Verlauf der mindestens einen Öffnung 16 gleichzeitig erzeugt. Dies bewirkt zusätzlich eine Formgebung im Bereich 12, so dass Klappen 14 ausgebildet werden, die in Schließrichtung des Formwerkzeugs 30 geneigt sind.
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Das Ausführungsbeispiel von 1 und 2 mit dem Schneidelement 32 erzeugt beim Schneiden zwei Öffnungen 16, deren Verlauf jeweils einen Kreisbogenabschnitt beschreiben.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Schneidelements 32 des Formwerkzeugs 30, wie in der Ausführung von 1 und 2 gezeigt. Die Schnittkante 34 des Schneidelements 32 weist einen in Schließrichtung des Formwerkzeugs 30 variierenden Verlauf auf. Der Verlauf der Schnittkante 34 ermöglicht ein zunehmendes Durchtrennen des faserhaltigen Materials beim Schließen des Formwerkzeugs 30 bzw. bei der Verlagerung des Schneidelements 32. Es kommt dabei zu einem ziehenden Schnitt, bei dem die auftretenden Schnittkräfte reduziert sind, so dass das faserhaltige Material im Bereich der Schnittkante im Material bzw. in der Öffnung 16 nicht einreißt. Außerdem resultieren geringere Schnittkräfte auch in einer geringeren Spannung im Material, welches bspw. über eine Halterahmen 36 im Wesentlichen gespannt wird.
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Die Schnittkante 34 kann sehr dünn ausgeführt sein. Bspw. kann die Schnittkante 34 eine Breite von etwa 0,5 bis 3 mm aufweisen, wobei die Spitze im Idealfall fast 0 mm breit ist. In weiteren Ausführungen Schnittkanten 34 bspw. einen Spitzen- bzw. Schneidwinkel von etwa 30 - 60° aufweisen. Schnittkanten 34 können je nach Anforderung unterschiedlich ausgebildet sein. Bspw. können Schnittkanten 34 im Detail sehr verschieden ausgebildet sein und sich bspw. im Hinblick auf den Schliff unterscheiden (z.B. einseitig geschliffen, zweiseitig geschliffen, Viererschliff, etc.). Darüber hinaus können in weiteren Ausführungen auch Schnittkanten 34 zum Einsatz kommen, welche eine verrundete Spitze aufweisen.
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In weiteren Ausführungen kann ein Formwerkzeug 30 mehrere Schneidelemente 32 aufweisen, so dass simultan eine Vielzahl an Öffnungen 16 in einem Flächenabschnitt 10 und/oder in einer Vielzahl an Formkörpern erzeugt werden können.
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4 zeigt schematische Darstellungen von Öffnungen 16 mit einem nicht linearen Verlauf. So können mit dem Schneidelement 32 von 1, 2 bis 3 bspw. zwei kreisbogenförmige Öffnungen 16 erzeugt werden (4a). In weiteren Ausführungen kann ein Schneidelement 32 auch vier Maxima aufweisen, so dass vier kreisbogenförmige Öffnungen 16 erzeugt werden können, wie in 4b) gezeigt.
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4c) zeigt eine weitere Ausbildung eines Paares an Öffnungen 16, die klammerartig ausgebildet sind. 4d) zeigt eine Ausführung mit drei hintereinander angeordneten, klammerartigen Öffnungen 16. 4e) zeigt eine Ausführung mit drei hintereinander angeordneten halbkreisförmigen Öffnungen 16.
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In weiteren Ausführungen können auch weitere nicht linear verlaufende Öffnungen 16 in einen Flächenabschnitt 10 eingebracht werden, deren Verlauf nicht linear ist und sich von den gezeigten Ausführungen unterscheidet.
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5 zeigt eine schematische Darstellung der Ausbildung von Öffnungen 16 im Schnitt, wobei zwei Klappen 14 ausgebildet sind. Wie durch die Pfeile gezeigt, kann ein Durchströmen oder Eindringen von Flüssigkeiten oder Luft in nur einer Richtung erfolgen. Die Ausrichtung der Klappen 14 wird durch den Herstellungsprozess beeinflusst, wobei die Schneidrichtung beim Einbringen der Öffnungen 16 die Ausrichtung der Klappen 14 festlegt. In entgegengesetzter Richtung wird eine Verlagerung der Klappen 14 aus der Ebene des Flächenabschnitts 10 verhindert, da die Klappen 14 die Öffnung bzw. den Schnittbereich des faserhaltigen Materials nicht überwinden können.
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6 zeigt eine schematische Darstellung eines Flächenabschnitts 10 eines Formkörpers beim Verpressen von Öffnungen 16, um durchstoßbare Schwachstellen 18 bereitzustellen. Hierzu wird der Flächenabschnitt 10 mit den Öffnungen 16 in ein Prägewerkzeug 40 eingebracht, welches im gezeigten Ausführungsbeispiel zwei Stempel 42 aufweist. Über die beiden Stempel 42 kann der Bereich 12 nach dem Einbringen der Öffnungen 16 verpresst werden, so dass die klappenartigen Materialabschnitte (Klappen 14) die Öffnungen 16 wieder verschließen. Die Verbindung durch das Verpressen ist dabei aber nicht so stark, so dass ein leichtes Öffnen möglich ist.
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In den Öffnungen 16 weist ein Flächenabschnitt 10 nach dem Trennen in einer Trennstelle (Öffnung 16) gegenüberliegende Oberflächen auf, die vollständig voneinander getrennt sind und keine stoffschlüssige Verbindung aufweisen.
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Beim Verpressen werden die Prägestempel 42 gegen den Bereich 12 gedrückt, bis sich eine kraftschlüssige Verbindung zwischen den Oberflächen in der Trennstelle/Öffnung 16 ausbildet, wobei ein Spalt geschlossen wird. In der gezeigten Ausführung erstreckt sich der Prägebereich, d.h. der Bereich des faserhaltigen Materials der verpresst wird, über die Öffnungen 16 hinaus. Damit wird auch eine Materialanhäufung im Bereich der Öffnungen 16 verpresst, so dass nach dem Verpressen keine Anhäufung aufgrund der Trennung bzw. des Schnitts verbleibt.
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In weiteren Ausführungen kann die Prägefläche mit einem Muster oder dergleichen versehen sein, so dass an der Oberfläche des verpressten Bereichs eine Prägung mit einem korrespondierenden Muster erzeugt werden kann. Hierzu kann die Prägefläche bspw. Erhebungen und/oder Vertiefungen in Form von parallel und/oder sich kreuzenden Rillen, Linien, etc. aufweisen. Weiterhin können solche Erhebungen und/oder Vertiefungen gekrümmt an der Prägefläche verlaufen.
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Nach dem Verpressen kann die Schwachstelle 18 gegenüber dem restlichen Flächenabschnitt 10 komprimiert sein und eine geringe Schichtdicke aufweisen. Dabei sind auch Erhebungen bzw. Materialanhäufungen durch einen Schnitt flach gedrückt. Zudem werden durch die Komprimierung des Materials die Oberflächen in den Öffnungen 16 gegeneinander gedrückt, so dass eine kraftschlüssige Verbindung zwischen den Oberflächen hergestellt wird. Um eine kraftschlüssige Verbindung zu erreichen und eine Ausgleichsbewegung des faserhaltigen Materials zu unterbinden ist vorzugsweise die Prägefläche bzw. der Prägebereich entsprechend zu dimensionieren, d.h. breit zu gestalten. Die kraftschlüssige Verbindung stellt eine dichtende Ausführung der Schwachstelle 18 bereit, wobei zugleich ein Durchbrechen bzw. Durchstoßen einfach erfolgen kann, weil keine stoffschlüssige Verbindung vorherrscht. Zudem wird beim Durchstoßen (bspw. mittels eines Strohhalms oder dergleichen) kein unkontrolliertes Einreißen oder eine andere Beschädigung des Flächenabschnitts 10 erzeugt, weil eine „Sollbruchstelle“ gegeben ist und die Schwachstelle 18 einen bereits vollständig getrennten Bereich aufweist.
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Das Einbringen von Öffnungen 16 in einen Flächenabschnitt 10 eines Formkörpers aus einem faserhaltigen Material kann mehrere Verfahrensschritte aufweisen.
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Zunächst kann ein Bereitstellen eines Formkörpers 10 vorgesehen sein, wobei das Bereitstellen einen Formschritt umfassen kann. Dabei kann entweder ein Formen aus einem verhältnismäßig trocknem Fasermaterial (Dry-Forming) oder ein Formen aus einer wässrigen Fasersuspension (Pulpe) erfolgen (Wet-Forming). In einem sogenannten Wet-Prozess können zunächst Vorformlinge aus einem faserhaltigen Material bereitgestellt werden, die anschließend unter thermischer Einwirkung verpresst werden. Die Bereitstellung der Vorformlinge kann derart erfolgen, wobei Fasern aus einer wässrigen Lösung (Pulpe) angesaugt und dreidimensionale Vorformlinge gebildet werden, welche im Wesentlichen bereits die Gestalt von herzustellenden Erzeugnissen aufweisen. Zusätzlich können Additive und Zusätze, wie bspw. Stärke, chemische Zusätze, Wachs, etc. einer Pulpe zugeführt werden, um die Eigenschaften der herzustellenden Produkte (z.B. Barriereeigenschaften) und die Verarbeitbarkeit zu beeinflussen. Bei den Fasern kann es sich bspw. um natürliche Fasern, wie Cellulosefasern, oder Fasern aus einem faserhaltigen Ursprungsmaterial (z.B. Altpapier) handeln. Da als Ausgangsmaterial für die Formkörper eine faserhaltige Pulpe mit natürlichen Fasern verwendet werden kann, können die hergestellten Formkörper nach ihrer Verwendung selbst wieder als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Formkörpern oder anderen Erzeugnissen dienen oder kompostiert werden, weil diese in der Regel vollständig zersetzt werden können und keine bedenklichen, umweltgefährdenden Stoffe enthalten. Die Vorformlinge können in weiteren Ausführungen einem Vorpressschritt unterzogen werden. Anschließend werden die Vorformlinge in einer Heißpresseinrichtung unter Druck und Wärmeeinwirkung zu dreidimensionalen Formkörpern verpresst. Weiterhin können die Formkörper aus einer losen Zellulosebahn (Airlaid) oder einem Papier (um)geformt werden.
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Danach erfolgt das Einbringen mindestens einer Öffnung 16 bzw. Schneiden in einem Bereich 12 eines Flächenabschnitts 10 eines Formteils aus faserhaltigem Material, wobei das faserhaltige Material in einem Bereich vollständig durchtrennt wird. Das Schneiden kann durch relative Verlagerung zweier Werkzeugteile, bspw. Schneidelement 32 und Unterteil 38 erfolgen.
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Anschließend kann ein Verpressen der zuvor erzeugten Öffnung 16 mit einer weiteren Werkzeugkomponenten, bspw. Stempeln 42 erfolgen. Das Verpressen kann in dem gleichen Werkzeug oder einem weiteren Werkzeug erfolgen. Zudem kann in weiteren Ausführungen die Prägefläche mindestens eines Stempels 42 temperiert werden, um die Komprimierung des faserhaltigen Materials im Bereich 12 mit der Öffnung 16 zu verbessern. Vorzugsweise erfolgt ein solches Verpressen mit Temperaturen von 50 bis 150 °C. In weiteren Ausführungen kann ein Verpressen von nur einer Seite mit einem Stempel 42 und einer Gegenlage erfolgen.
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In noch weiteren Ausführungen kann nach einem Einbringen einer Öffnung 16 und vor einem Verpressen ein optionales Befeuchten des Bereichs 12 erfolgen, wobei während dem Verpressen mit entsprechend höheren Temperaturen (bspw. zwischen 90-150 °C) der Bereich 12 getrocknet werden kann. Dabei erfolgt keine stoffschlüssige Verbindung, so dass der Vorteil der kraftschlüssigen Verbindung einer Schwachstelle 18 beibehalten wird.
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Der Durchmesser oder Querschnitt von Öffnungen 16, d.h. der Abstand zwischen den Enden der Öffnungen 16 bzw. die Länge des Verlaufs der Öffnungen 16 kann bspw. zwischen 2 und 10 mm liegen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Flächenabschnitt
- 12
- Bereich
- 14
- Klappe (Materialabschnitt)
- 16
- Öffnung
- 18
- Schwachstelle
- 30
- Formwerkzeug
- 32
- Schneidelement
- 34
- Schnittkante (WZ)
- 36
- Halterahmen
- 38
- Unterteil
- 39
- Öffnung
- 40
- Prägewerkzeug
- 42
- Stempel