CH691447A5 - Formungswerkzeug zur Herstellung von offenen Behältern durch Thermoformung von flächigem, geschäumtem Material. - Google Patents

Description

  
 



  Die Erfindung liegt auf dem Gebiete der Verpackungsindustrie und bezieht sich auf ein Formungswerkzeug gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs, welches Formungswerkzeug zur Herstellung von offenen Behältern durch Thermoformung eines flachen Stückes eines flächigen Materials dient, welches flächige Material aus einem Schaumstoff besteht oder mindestens eine geschäumte Schicht enthält. 



  Offene Behälter, wie z.B. zum Konsum und/oder zur Verpackung von Nahrungsmitteln verwendete Becher oder Schalen, werden normalerweise mittels Ziehen oder Tiefziehen eines flächigen Stücks aus einem thermoformbaren Kunststoff hergestellt. Solche offenen Behälter haben einen Boden und eine Seitenwand oder Seitenwände. Eine Vorrichtung zum Ziehen oder Tiefziehen von thermoformbarem flächigem Material arbeitet normalerweise mit einem Paar von Formungswerkzeugen: einem weiblichen Werkzeug mit einer Vertiefung, über welche das vorgewärmte flächige Material positioniert wird, und einem männlichen, welches in diese Vertiefung hinein bewegt werden kann, wobei das flächige Material gezogen wird.

   Wenn er genügend abgekühlt ist, wird der gebildete Behälter befreit, z.B. durch Auswerfen aus dem weiblichen  Werkzeug mittels mechanischer Auswurfmittel oder mittels durch entsprechende Düsen auf der Oberfläche des Werkzeugs eingeblasene Druckluft. 



  Die Verwendung eines aus einem Schaumstoff bestehenden oder mindestens eine Schaumstoffschicht aufweisenden flächigen Materials ist zur Herstellung von Behältern der oben beschriebenen Art von Vorteil, da geschäumtes Material mit demselben Gewicht pro Fläche normalerweise eine grössere Steifigkeit aufweist als entsprechendes massives Material. 



  Wenn das flächige Material zur Herstellung der offenen Behälter aus einem Schaumstoff besteht oder mindestens eine Schaumstoffschicht aufweist, können spezifische Bereiche der Wände des Behälters dicker und daher steifer gemacht werden, dadurch, dass diese Bereiche auf mindestens einer Seite einem reduzierten Druck ausgesetzt werden, wenn sie sich in einem thermoformbaren Zustand befinden. Dabei dehnt sich die Luft in den Poren des Schaumstoffes aus und der Schaumstoff wird expandiert. Ein solches Verfahren ist z.B. in der Veröffentlichung US-3 846 526 beschrieben. Das Ziel der beschriebenen Expansion ist es, beispielsweise die Seitenwand von thermogeformten Bechern zu expandieren, um ihre Isolierfähigkeit zu vergrössern.

   Zu diesem Zweck werden mit einer Unterdruckquelle verbundene Düsen im weiblichen Werkzeug, im Bereich der Kante zwischen Seitenwand und Boden und im männlichen Werkzeug nahe der \ffnung des Bechers (d.h. um die obere Kante des Bechers herum) vorgesehen. Ein Verfahren derselben Art ist in der Veröffentlichung JP-60 192 615 beschrieben, wo das Hauptziel der Expansion die Herstellung einer verstärkten oberen Kante der Seitenwand eines Bechers zur Erhöhung der Stapelbarkeit derartiger Becher ist und die Herstellung eines verstärkten Bodens. Dafür werden Düsen am weiblichen und am männlichen Werkzeug im Bereich der Kante zwischen Seitenwand und Boden und in der Mitte des Bodens eingerichtet. 



  Die Position der Düsen wird vor allem von ästhetischen Kriterien beeinflusst, welche es wünschenswert machen, dass die auf dem fertigen Behälter zurückgelassenen Spuren sich an einer Stelle befinden, wo sie nicht leicht zu sehen sind. 



  In beiden oben beschriebenen Fällen wird der Behälter zuerst durch Ziehen des flächigen Materials geformt und dann wird der Druck für die Expansion reduziert, d.h. die zwei Formungsschritte folgen aufeinander und sind klar voneinander abgegrenzt. 



  Ein weiteres Verfahren zum Ziehen und Expandieren von flächigem Schaumstoff zur Bildung von offenen Behältern, ist in einer Parallelanmeldung beschrieben (gleiches Anmeldedatum wie vorliegende Anmeldung). Das Verfahren ist eine Kombination von Ziehen und Expandieren, wobei schon während dem Bewegen des männlichen Werkzeugs in die Vertiefung des weiblichen Werkzeugs, d.h. schon während des Ziehens des vorgewärmten flächigen Materials, der Druck auf mindestens einer Seite des flächigen Materials derart reduziert wird, dass er einen unter dem Umgebungsdruck liegenden Wert (Expansionsdruck) erreicht, welcher von genügender Tiefe ist, um das Schaummaterial zu expandieren, wenn das männliche Werkzeug seine Endlage erreicht oder unmittelbar nachher.

   Die Werkzeuge werden dann in derselben Lage behalten und der Expansionsdruck wird aufrechterhalten, bis das flächige Material auf eine Temperatur abgekühlt ist, welche unter seiner Plastifizierungstemperatur liegt. Vor dem Ziehen des flächigen Materials mithilfe des männlichen Werkzeugs kann dieses mithilfe eines Druckunterschieds (tieferer Druck auf der dem weiblichen Werkzeug zugerichteten Seite) vorgestreckt werden. 



  Das Ziel des Verfahrens gemäss der Parallelanmeldung ist es, den Schaumstoff nicht zur Bildung von spezifischen Bereichen für eine grössere Wandstärke zu expandieren, sondern zur Herstellung eines Behälters, dessen mechanische Eigenschaften für die Anwendung des Behälters ausreichend sind und dessen Gewicht minimal ist, wobei der Behälter in einer minimalen Taktdauer herstellbar ist. Um dieses Ziel zu erreichen, werden der Expansionsschritt und der Ziehschritt mindestens teilweise gleichzeitig ausgeführt (Ziehen und Reduzieren des Drucks) und verschiedene Bereiche der Behälterwand werden zu verschiedenen Graden expandiert. 



  Wenn für das Verfahren gemäss der Parallelanmeldung die Werkzeuge mit Düsen (wie oben beschrieben, an Stellen positioniert, an welchen Spuren der Düsen zu keinen ästhetischen Einbussen führen), welche einer Quelle von reduziertem Druck angeschlossen sind, neigen die hergestellten Behälter dazu, mechanisch und/oder ästhetisch unbefriedigend zu sein. Der Hauptfehler, welcher auftreten kann, sind Unregelmässigkeiten an den Seitenwänden der Behälter, welche wahrscheinlich von der Tatsache herrühren, dass die Druckreduktion zu einem sofortigen Haften des flächigen Materials an der Werkzeugoberfläche im Bereich der Düse und zu stationären Luftkissen zwischen flächigem Material und Werkzeug in den von den Düsen entfernten Bereichen führt.

   Dies verhindert nicht nur eine regelmässige Expansion, sondern, wenn es dann auftritt, wenn das flächige Material noch gezogen wird, führt es zu unterschiedlichem Gleiten des flächigen Materials auf dem Werkzeug und daher zu unterschiedlichem Ziehen in Bereichen nahe der Düsen und solchen entfernt von den Düsen. 



  Daher ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Formungswerkzeug zur Anwendung im Verfahren gemäss der Parallelanmeldung zu schaffen, in welchem Verfahren ein flächiges, aus thermoformbarem Schaumstoff bestehendes oder  mindestens eine Schaumstoffschicht aufweisendes Material zu einem offenen Behälter geformt wird, wobei das flächige Material unter Verwendung eines kooperierenden Paares von einem männlichen und einem weiblichen Werkzeug gezogen wird, wobei während der Bewegung des männlichen Werkzeugs in die Vertiefung des weiblichen Werkzeugs der Druck auf mindestens einer Seite des flächigen Materials derart reduziert wird, dass ein genügend tiefer Druck zum Expandieren des Schaumstoffes erreicht wird, wenn das männliche Werkzeug seine Endlage erreicht oder unmittelbar danach.

   Durch die Verwendung des erfindungsgemässen Werkzeugs in diesem Verfahren soll es möglich sein, Behälter mit einer guten Qualität, was optische Erscheinung und mechanische Eigenschaften angeht, herzustellen, d.h. mindestens auf ihren Seitenwänden ohne optische Unregelmässigkeiten, obwohl Dichte und Dicke von Bereich zu Bereich dieser Seitenwand variieren können. 



  Diese Aufgabe wird gelöst durch das Formungswerkzeug, wie es in den Ansprüchen definiert ist. 



  Das erfindungsgemässe Werkzeug weist zumindest auf der dem Formen der Seitenwand des Behälters dienenden Oberfläche ein Muster von \ffnungen in Form von Löchern oder Schlitzen auf, welche \ffnungen mit einem System von Kanälen im Inneren des Werkzeugs verbunden sind. Dieses System von Kanälen ist mindestens mit einer Quelle von reduziertem Druck derart verbunden, dass in einer gesteuerten Weise Luft von zwischen der Oberfläche des Werkzeugs und dem flächigen Material abgesaugt werden kann. Gute Resultate werden mit Oberflächenöffnungen, die kleiner als 0,5 mm (Lochdurchmesser oder Schlitzbreite < 0,5 mm) und um nicht mehr als 20 mm voneinander beabstandet sind.

   Solche \ffnungen hinterlassen keine störenden Spuren auf der Oberfläche des Schaumstoffes und ihr Abstand voneinander ist klein genug, um die Bildung von Druckunterschieden auf der Werkzeugober fläche zu verhindern, welche Druckunterschiede zu den genannten Nachteilen führen würden. 



  Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Werkzeugs ist mindestens teilweise aus einem porösen Material hergestellt. Das poröse Material bildet mindestens jene Teile des Werkzeugs, welche in Kontakt mit der Seitenwand oder mit Seitenwand und Boden des zu formenden Behälters kommen. Ein solches poröses Material enthält offene, miteinander verbundene Poren, welche somit Kanäle in alle Richtungen durch das Material bilden, welche Kanäle an der Oberfläche offen sind und ein sehr feines Muster einer quasi unendlichen Zahl von sehr kleinen \ffnungen (weniger als 0,1 mm) bilden. 



  Es zeigt sich, dass Formungswerkzeuge aus einem gesinterten Bronzematerial oder mit Oberflächen aus solchem Material sehr geeignet sind, um Behälter z.B. aus Polypropylen-Schaumstoff herzustellen. Dies ist der Fall, da sehr feines Bronzepulver leicht gesintert werden kann, um ein offenporiges Material mit Kanälen in allen Richtungen, zu erhalten. Die Oberfläche des gesinterten Materials ist mit Vorteil geschliffen oder elektroerodiert, nicht poliert, da durch Polieren die Poren geschlossen werden können. Die Oberfläche des gesinterten Materials kann auch beschichtet sein. Wenn die mit dem Werkzeug herzustellenden Behälter in Verbindung mit Nahrungsmitteln zur Anwendung kommen, ist ein für den Kontakt mit Nahrungsmitteln zugelassenes Beschichtungsmaterial zu verwenden. 



  Bronze ist nur ein Beispiel eines Materials, aus welchem die porösen Teile eines erfindungsgemässen Werkzeugs gefertigt sein können. Jedes Material  mit ähnlichen Eigenschaften kann auch verwendet werden, z.B. Aluminium, Aluminiumlegierungen, andere Metalle oder keramische Materialien. 



  Das erfindungsgemässe Formungswerkzeug ist in Verbindung mit den folgenden Figuren mehr im Detail beschrieben. Dabei zeigen: 
 
   Fig. 1 ein beispielhaftes Paar erfindungsgemässer Formungswerkzeuge, wobei beide Werkzeuge Werkzeugkörper mit einem Muster von Oberflächenöffnungen aufweisen; 
   Fig. 2 ein weiteres beispielhaftes Paar erfindungsgemässer Formungswerkzeuge, wobei die Werkzeugkörper beider Werkzeuge aus porösem Material sind; 
   Fig. 3 ein weiteres Paar erfindungsgemässer Formungswerkzeuge, wobei beide Werkzeuge Werkzeugkörper mit einer Oberflächenschicht aus porösem Material aufweisen. 
 



  Fig. 1 zeigt ein Paar von Formungswerkzeugen 1.1 und 2.1 z.B. für den Gebrauch im oben beschriebenen Verfahren gemäss der Parallelanmeldung. Die beiden Werkzeuge sind in ihrer Endlage dargestellt. Zwischen den Werkzeugen besteht ein Hohlraum 3, welcher im Wesentlichen dem zu bildenden Behälter entspricht. Beide Werkzeuge 1.1 und 2.1 weisen Werkzeugkörper 10.1, 20.1 mit einem System von Kanälen 6 auf, welche Kanäle in \ffnungen 7 an der dem Hohlraum zugewandten Werkzeugoberflächen (11 und 21) in den Hohlraum münden. Diese \ffnungen haben die Form von Löchern und/oder Schlitzen mit einem Durchmesser bzw. einer Breite von weniger als 0,5 mm und sie sind in einem Muster über die Oberfläche des Werkzeugs verteilt, wobei die Löcher oder Schlitze höchstens um 20 mm voneinander beabstandet sind.

   Das männliche Werkzeug 1.1 und das weibliche Werkzeug 2.1 (in Fig. 1 gezeigt) weisen beide ein solches Muster auf dem ganzen Oberflächenbe reich auf, welcher Bereich mit dem flächigen, zu einem Behälter zu formenden Material in Kontakt kommt (Hohlraumoberflächen 11 und 21). Wie bereits oben erwähnt, kann es für spezifische Anwendungen genügen, nur ein Werkzeug mit diesem Muster von Oberflächenöffnungen auszurüsten (vorzugsweise das weibliche Werkzeug) und/oder nur denjenigen Oberflächenbereich, welcher mit der Behälter-Seitenwand in Kontakt kommt. 



  Das System von Kanälen 6 kann wahlweise mit einer Quelle von reduziertem Druck 71 oder mit einer \ffnung 72 gegen aussen (zum Druckausgleich) verbunden werden. Wenn nach der Thermoformung der gebildete Behälter mittels Druckluft ausgeworfen werden soll, kann das System von Kanälen 6 auch mit einer Druckluftquelle 73 verbindbar sein. Zur Steuerung der wahlweisen Verbindung wird z.B. ein entsprechendes Steuerventil (schematisch gezeigt) vorgesehen. 



  Für den Auswurf des gebildeten Behälters mithilfe von Druckluft ist es auch möglich, separate Düsen vorzusehen, welche mit einem separaten System von Kanälen im Inneren des Werkzeugs verbunden sind. Da der Auswurf dann stattfindet, wenn sich das flächige Material nicht mehr in einem thermoformbaren Zustand befindet, müssen diese Düsen nicht so zahlreich und nicht derart über die Oberfläche des Werkzeugs verteilt sein wie die \ffnungen, welche für die für das Expandieren des Schaumstoffes nötige Druckreduktion sorgen. 



  Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen Formungswerkzeugs. Beide Werkzeuge (1.2 und 2.2) des gezeigten Werkzeugpaares weisen einen Werkzeugkörper 10.2, 20.2 aus einem porösen Material, z.B. aus gesinterter Bronze, auf. Auf den Oberflächen des Hohlraums 11 und 21  ist das poröse Material vorzugsweise geschliffen oder elektroerodiert. Auf den anderen Werkzeugoberflächen sind die Poren mit dazu geeigneten Mitteln verschlossen, z.B. mit einer Oberflächenbeschichtung oder einem entsprechenden, eng passenden Werkzeugbehälter 12 oder 22, welcher Behälter mindestens eine \ffnung 13 oder 23 aufweist, die z.B. mit einem in Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen Steuerventil verbunden ist. Wie oben erwähnt, ist es keine Bedingung, dass beide Werkzeuge ein Muster von Oberflächenöffnungen aufweisen.

   Werkzeugpaare z.B., bei denen lediglich das weibliche Werkzeug einen Werkzeugkörper aus porösem Material aufweist, sind ebenfalls denkbar. 



  Fig. 3 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemässen Formungswerkzeugs. Das Paar von Formungswerkzeugen 1.3 und 2.3 ist dem in Fig. 1 und 2 gezeigten ähnlich, was die Werkzeugform betrifft. Die Werkzeuge unterscheiden sich von den Werkzeugen gemäss Fig. 1 und 2 dadurch, dass sie Werkzeugkörper 10.3 und 20.3 aus festem Material und mit einem System von Kanälen 6 aufweisen, welche Kanäle auf der einen Seite auf die beschriebene Art mit mindestens einem Steuerventil 7 verbunden sind und auf der anderen Seite gegen die Oberfläche des Werkzeugkörpers 10.3 und 20.3 hin offen sind, wobei diese Oberfläche eine Oberflächenschicht 14 bzw. 24 trägt, die aus einem feinporigen Material, vorzugsweise mit einer geschliffenen oder elektroerodierten Oberfläche, besteht und die Hohlraumoberflächen 11 und 21 bildet. 



  Je nach mechanischen Eigenschaften der Oberflächenschichten 14 und 24, kann der Werkzeugkörper 10.3 oder 20.3 mehr oder weniger hohle Räume enthalten oder überhaupt durch einen hohlen Raum ersetzt werden. 



  Wie oben erwähnt, ist es möglich, dass Paare von männlichen und weiblichen Werkzeugen sich nicht ähnlich sind. Je nach gewünschter Qualität des zu bildenden Behälters und je nach dem verwendeten flächigen Material ist es möglich, nur eines der Werkzeuge in der gezeigten Art auszubilden, während das andere Werkzeug keine \ffnungen oder spezielle Düsen zum Entfernen von Luft von zwischen dem Werkzeug und dem flächigen Material und/oder zur Zuführung von Druckluft für das Auswerfen des Behälters aufweist. Es ist auch möglich, in einem Paar von kooperierenden Werkzeugen zwei Werkzeuge gemäss einer der Fig. 1 bis 3 zu kombinieren, wobei jedes Werkzeug eines Paares ein Muster von \ffnungen nur auf den Oberflächen zur Bildung der Seitenwände des Behälters oder auf mehr Oberflächen (Boden des Behälters oder Teil davon) aufweisen kann. 

Claims (10)

1. Kooperierendes Paar von Formungswerkzeugen (1.1/2/3,

2.1/2/3) bestehend aus einem weiblichen Werkzeug (2.1/2/3) mit einer Vertiefung und einem in die Vertiefung bewegbaren männlichen Werkzeug (1.1/2/3) zur Herstellung von offenen Behältern mit einem Boden und einer Seitenwand oder Seitenwänden aus flächigem Material, welches aus einem thermoformbaren und expandierbaren Schaumstoff besteht oder mindestens eine Schicht eines solchen Schaumstoffs aufweist, durch Ziehen und Vakuumexpansion des flächigen Materials, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Formungswerkzeuge (1.1/2/3, 2.1/2/3) einen Werkzeugkörper (10.1/2/3, 20.1/2/3) hat, der mindestens auf demjenigen Oberflächenbereich, welcher zum Formen der Seitenwand des Behälters dient, ein Muster von Oberflächenöffnungen aufweist,

welche \ffnungen in einer gesteuerten Weise mit mindestens einer Quelle von reduziertem Druck verbindbar sind. 2. Paar von Formungswerkzeugen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster von Oberflächenöffnungen aus Löchern und/oder Schlitzen besteht, welche einen Durchmesser bzw. eine Breite von weniger als 0,5 mm aufweisen.

3. Paar von Formungswerkzeugen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenöffnungen des Musters um höchstens 20 mm voneinander beabstandet sind.

4. Paar von Formungswerkzeugen nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Werkzeugkörper (10.1, 20.1) ein System von Kanälen (6) aufweist, welche Kanäle auf der einen Seite in Oberflächenöffnungen münden und auf der anderen Seite mit einer Quelle von reduziertem Druck verbindbar sind.

5.

Paar von Formungswerkzeugen nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Werkzeugkörper (10.2, 20.2) aus einem offenporigen Material mit offenen miteinander verbundenen Poren besteht, die Kanäle in alle Richtungen durch das Material bilden, und Mittel (12/13, 22/23) zum Verbinden dieser Kanäle mit mindestens einer Quelle von reduziertem Druck aufweist.

6.

Paar von Formungswerkzeugen nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet dass der mindestens eine Werkzeugkörper (10.3, 20.3) ein System von Kanälen (6) aufweist und auf mindestens einer seiner Oberflächen eine Oberflächenschicht (14, 24) aus einem offenporigen Material mit miteinander verbundenen, und Kanäle in alle Richtungen bildenden, Poren aufweist, wobei die Kanäle (6) des Systems auf der einen Seite unter der Oberflächenschicht (14, 24) enden und auf der anderen Seite mit einer Quelle von reduziertem Druck verbindbar sind.

7. Paar von Formungswerkzeugen nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das offenporige Material ein gesintertes Material ist.

8. Paar von Formungswerkzeugen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das gesinterte Material gesinterte Bronze ist.

9.

Paar von Formungswerkzeugen nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das gesinterte Material mit einem weiteren Material beschichtet ist.

10. Paar von Formungswerkzeugen gemäss Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des gesinterten Materials geschliffen oder elektroerodiert ist.