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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum dreidimensionalen Umformen von flächigem Fasermaterial unter Einsatz eines Tiefziehverfahrens, insbesondere zur Herstellung dreidimensionaler Formteile. Der Einsatz von Fasermaterial für Formteile ist seit langem bekannt, fristete jedoch wegen der mangelnden Qualität ein Nischendasein ohne breitere Anwendung. Inzwischen wurden Verfahren entwickelt, die Formteile mit einer höheren Qualität ermöglichen. Dadurch ergeben sich größere Einsatzmöglichkeiten und ohne ein Erfordernis von Nachbearbeitung oder Kaschierung, um Qualitätsmängel zu verdecken, können kostengünstigere Formteile erzeugt werden. Diese finden sehr häufig als Packmittel Anwendung.
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Die Umformung von Kunststoffen oder Metallen einerseits und die Umformung von Fasermaterial (nachfolgend beispielhaft anhand von Karton erläutert) andererseits unterscheiden sich derart fundamental voneinander, dass trotz etwaiger äußerlicher Ähnlichkeiten eine Übertragung von technologischen Lösungen nicht möglich ist. Die Umformung von Kunststofffolien und Halbzeugen zu 3-D-Formteilen erfolgt durch das Verfahren Thermoformen, was häufig in der Praxis unter der Bezeichnung Tiefziehen missverständlich bezeichnet wird. Das Thermoformen von Kunststoffen basiert auf der Erwärmung des Materials auf eine Temperatur, in der das Material ein ausgeprägtes Fließverhalten aufweist. Das Material wird allseitig fixiert und wird dann mit Hilfe seines plastischen Formänderungsvermögens (vorrangig Dehnung in Bereichen von 30–300 %) aus seiner Dicke heraus fließend in die Form gezogen. Dazu werden in der Regel fluidische Druckmedien (Druckluft, Vakuum) genutzt und ggf. wird mit einem Stempel vorgestreckt. Die finale Form wird immer durch Druckmedien ausgeformt. Das Material wird zum gezielten Erreichen seins Fließzustandes kontrolliert vorgewärmt und in den Werkzeugen abgekühlt um wieder zu erstarren.
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Die Definition des Tiefziehens als solchem umfasst jedoch im Unterschied zum Thermoformen das Umformen aus einem flachen Zuschnitt ohne gezielte Veränderung der Dicke. Dementsprechend sind beide Verfahren technologisch grundlegend verschieden und auch in der Umsetzung in Maschinen entsprechend unterschiedlichen Bedingungen unterworfen. Aus diesem Grund sind übliche Thermoformmaschinen und die dabei verfolgten technologischen Lösungen nicht für die Umformung von Karton geeignet. Karton weist insbesondere kein ausgeprägtes Fließverhalten, besonders nicht bei mehrachsiger Dehnung auf. Selbst bei speziell ausgerüsteten Spezialqualitäten sind nur Dehnungen von 2 bis 12 % erreichbar. Dem Tiefziehen von Metallblech ist vom grundsätzlichen Ablauf her das Ziehen von Karton ähnlicher als das Thermoformen. Es wird ein flach liegender Zuschnitt (Ronde) mit einem Niederhalter geklemmt und eine definierte Kraft aufgebracht. Der Stempel zieht das Material meist kalt in den Ziehring ein. Im Material stellt sich aufgrund des Spannungszustandes ein Fließen ein, wodurch der geometrisch bedingte Materialüberschuss ausgeglichen wird. Das Material wird nur bis zur Fließgrenze beansprucht, so dass Falten und Reißer verhindert werden. Der Ziehspalt (zwischen Stempel und Ziehring) ist größer als die Materialdicke. Der Oberflächenkontakt mit dem Ziehring wird direkt nach der Verformung aufgelöst, um die extrem hohe Reibung weiterführend zu vermeiden.
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Das Ziehen von Karton ist zwar in der Anordnung der Werkzeuge und oberflächlich betrachtet ähnlich, unterscheidet sich jedoch wesentlich in der Materialeinwirkung, in den physikalischen Wirkungen und den Maschinenanforderungen. Der flach liegende Kartonzuschnitte wird durch einen Faltenhalter mit einer definierten Kraft beaufschlagt und der Stempel zieht den Karton in eine Ziehbüchse ein, deren Spalt – dies stellt einen gravierenden Unterschied zum Tiefziehen von Metall dar – zum Stempel geringer ist als die Materialdicke. Durch das im Unterschied zu Metall nicht fließfähige Material entstehen Falten, die nicht verhindert werden, sondern charakteristischer Bestandteil des Verfahrens sind. Die thermisch unterstützte Kompression in Dickenrichtung des Materials in der Ziehbüchse direkt nach Passieren des Umformradius fixiert die Falten und stellt die Formhaltigkeit der Formteile sicher. Die Falten ziehen sich bis unter den Faltenhalter und sorgen für ein starkes Aufdicken mit höher werdenden Formteilen.
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Das Austrocknen des Materials ist zentrale Aufgabe, um neue Bindungen in der zellulosen Faserstruktur zu erreichen und Formabweichung zu minimieren. Dazu sind die Ziehbüchse und deren Einwirkzeit unter Kompression von Bedeutung. Die Schrumpfung des Materials führt in der Regel zu einem Anhaften des Formteils am Stempel, was zur Notwendigkeit einer technischen Abstreiflösung führt. Die Inhomogenität, Anisotropie und Hygroskopizität des Materials, sowie die Kompression in Dickenrichtung als spezifische Prozessgrundlage macht eine vollkommen veränderte Arbeitsweise von Maschinen orientiert am Materialverhalten erforderlich. Die Übernahme von Eigenheiten und Lösungen aus den entfernteren Gebieten Thermoformen oder Tiefziehen von Metall ist in aller Regel nicht möglich und erfolgt auch nicht.
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Die Herstellung von 3-D-Formteilen aus Karton findet vor allem in der Verpackungstechnik Anwendung und ist auf Prägegeometrien oder Anwendungen geringer Wertschöpfung wie Fertiggerichtetrays oder Käseschachteln mit einem einfachen geometrischen Spektrum beschränkt. Verfahren zum Tiefziehen von Karton, die in jüngerer Zeit bekannt wurden, ermöglichen ein deutlich erweitertes Geometriespektrum und verbessern gleichzeitig die Qualität der Formteile wesentlich.
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So beschreibt die Druckschrift
DE 10 2013 107 932 A1 ein Verfahren zum dreidimensionalen Umformen von flächigem Material wie Naturfasern, vor allem Papier oder Karton, durch Tiefziehen. Dabei ist auch vorgesehen, dass ein Boden des Formteils während der Fertigung kalibriert oder geprägt wird, dass das Material vor, während oder nach dem Umformen befeuchtet und beheizt wird. Dies hat zum Ziel, dass die Geschmeidigkeit des Materials erhöht wird, was zu einer Bildung sehr kleiner Falten führt. Zudem ist ein zuvor befeuchteter Zuschnitt leichter umzuformen. Zusätzlich ist bei entsprechendem Bedarf eine nachfolgende Aufweitung des zylindrischen Formenkörpers vorgesehen, sofern die letztlich gewünschte Form von der Zylinderform abweicht.
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Die Druckschrift
DE 10 2013 107 931 A1 beschreibt ein ganz ähnliches Verfahren, wobei aber das flächige Material nicht als Zuschnitt vorliegt, sondern dieser erst in einem einleitenden Schritt von einer Materialrolle gefertigt wird.
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In Verpackungsmaschinen (Formmaschinen oder Form-, Füllmaschinen oder Form-, Füll- und Verschließmaschinen) ist ein solches bekanntes Verfahren auch in seiner zuvor beschriebenen, weiterentwickelten Form jedoch wegen der Besonderheiten des Fasermaterials, die in Widerspruch zu der benötigten Maschinenleistung steht, nicht einsetzbar.
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Für eine getaktete Arbeitsweise gibt es bereits Konzepte, das Verfahren zu integrieren. Anspruch der Konsumgüterbranche, wo derartige Verpackungsmaschinen regelmäßig zum Einsatz kommen, ist jedoch die hocheffektive und damit hochgeschwindigkeitsorientierte Arbeitsweise von Maschinen, um im Kostendruck das Verfahren und damit auch die Herstellung der Formteile aus Karton wirtschaftlich zu gestalten. Bisher vorstellbare Leistungsbereiche liegen bei 60–150 Takten (Formteile/Minute), was im Widerspruch zu den verfahrenstechnischen Eigenheiten, insbesondere dem Zeitbedarf, beim Tiefziehen von faserbasierten Materialien (Papier, Karton, Pappe, Vliesstoffen und deren Struktur- oder Schichtverbunden mit Polymeren) steht.
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Spezifische Anforderungen des Verfahrens, die für die schnelle Arbeitsweise im Rahmen einer Verfahrensführung, wie sie nach dem Stand der Technik realisiert wird, einschränkend wirken können, sind Einbringung einer ausreichenden Wärmeenergiemenge Beaufschlagung der Behälterwandung mit ausreichendem Pressdruck zur hinreichenden Verdichtung, um die Neubildung von Bindungen im Zellulose basierten Material zu ermöglichen. Daraus resultiert ein massiver Aufbau der Umformeinheit, der zu entsprechend massiver Bauweise der Maschine führt.
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Bekannt ist auch eine Umformung in mehreren Stufen mit Nachformung durch Aufspreizen, Aufdehnen oder durch Vor- und/oder nachgeschaltetes Prägen einzelner Regionen des Formteils. Dabei kann es vorteilhaft sein eine vor- oder zwischengeschaltete Konditionierung durch Zuführung von Wärmeenergie und/oder Feuchtigkeit vorzusehen. Es handelt sich um einen stark reibungsbehafteten Vorgang mit. Die Eigenschaften des leicht reißenden, hygroskopischen und inhomogenen Materials mit geringer Eigenfestigkeit erfordern eine schonende Umformung, was bei Hochgeschwindigkeitsmaschinen entsprechend durch hohe Beschleunigungen, Masseträgheiten und resultierende Schwingungen erschwert wird und insbesondere diskontinuierlichen Verfahrensabläufen, wie sie für die Umformung in mehreren Stufen mit Nachformung durch Aufspreizen, Aufdehnen oder durch Vor- und/oder nachgeschaltetes Prägen einzelner Regionen des Formteils erforderlich sind, Grenzen setzt.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher den Übergang des Verfahrens und dessen Spezifika auf eine kontinuierliche Arbeitsweise zu erreichen, die Zeit des Maschinendurchlaufes zu minimieren, dabei aber die spezifischen Anforderungen des Ziehprozesses zu berücksichtigen, um keine Einschränkungen in Qualität und Formgestaltungsfreiheit zu generieren, und eine Maschine für den Hochgeschwindigkeitsbereich oberhalb 150 Takten zu entwerfen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum dreidimensionalen Umformen eines flächigen Fasermaterials unter Einsatz eines Tiefziehverfahrens, wobei eine kontinuierliche Arbeitsweise von wenigstens einer Teilbearbeitungseinrichtung, wobei zumindest eine Tiefzieheinheit oder sonstige Umformeinheit umfasst ist, und ihre Anordnung, bei mehreren Teilbearbeitungseinrichtungen auch die Anordnung zueinander, in der Weise vorgesehen sind, dass das Formteil und seine Vorstufen sich mit im Wesentlichen derselben Prozessgeschwindigkeit während der Bearbeitung und, sofern vorhanden, zwischen den einzelnen Teilbearbeitungseinrichtungen weiterbewegt.
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Alternativ zu einem einzigen Zug erfolgt die Umformung in mehreren Stufen mit Nachformung in einem gesonderten Schritt durch Aufspreizen, Aufdehnen (beispielsweise durch Thermoformen) oder durch vor- und/oder nachgeschaltetes Prägen einzelner Regionen des Formteils. Dabei kann es vorteilhaft sein eine vor- oder zwischengeschaltete Konditionierung durch Zuführung von Wärmeenergie und/oder Feuchtigkeit vorzusehen. Es handelt sich bei dem Tiefziehen um einen stark reibungsbehafteten Vorgang, bei dem ein leicht reißendes, hygroskopisches und inhomogenes Material mit geringer Eigenfestigkeit umgeformt wird. Diese Eigenschaften erfordern eine besonders schonende Arbeitsweise und Anordnung von Bewegungen, was bei Hochgeschwindigkeitsmaschinen durch hohe Beschleunigungen, Masseträgheiten und resultierende Schwingungen entsprechend erschwert wird und insbesondere diskontinuierlichen Verfahrensabläufen Grenzen setzt.
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Um die kontinuierliche Bewegung zu erreichen, ist es nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass wenigstens eine Teilbearbeitungseinrichtung zur Ausführung einer D-Bewegung vorgesehen ist. Dabei wird ein Arbeitsorgan, beispielsweise eine Tiefzieheinrichtung, während des Arbeitstaktes in der Bahngeschwindigkeit mitgeführt und dann außerhalb der Bahn wieder an den Einsatzort zur Vorbereitung eines neuen Arbeitstaktes zurückgeführt. Diese Lösung ist besonders geeignet für eine lineare Anordnung der einzelnen Teilbearbeitungseinrichtungen.
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Bevorzugt ist es jedoch vorgesehen, dass wenigstens eine Teilbearbeitungseinrichtung als Rundläufer ausgeführt ist. Dabei führen die Arbeitsorgane für den vorgesehenen Bearbeitungsschritt, die in der Regel in der Nähe des Umfangs des Rundläufers angeordnet sind, in den jeweiligen Teilbearbeitungseinrichtungen eine Kreisbewegung aus. Diese ist einfach zu erzeugen, leicht zu lagern, erfordert geringere Maschinenkosten und ist dynamisch besser zu beherrschen.
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In Vorbereitung eines Arbeitstaktes ist es vorteilhaft, wenn zumindest eine Übergabeeinrichtung zur Übergabe eines Formteils oder eines seiner Vorstufen, wie den Zuschnitt oder ein teilweise geformtes Formteil, an einen Rundläufer vorgesehen ist. Damit wird beispielsweise ein Zuschnitt von einer Stanzeinrichtung an einen Rundläufer übergeben, der die Tiefzieheinrichtung aufweist, die während des Umlaufs den Tiefziehvorgang ausführt. Ist ein weiterer Bearbeitungsschritt vorgesehen, erfolgen wiederum durch eine Übergabeeinrichtung eine Entnahme der vorgeformten Zwischenstufe des Formteils und eine Übergabe an einen weiteren Rundläufer. In diesem Rundläufer erfolgt dann eine weitere Bearbeitung des Formteils, beispielsweise eine Fortsetzung des Tiefziehvorgangs, eine Konditionierung oder eine Nachformung oder Prägung. Die Übergabeeinrichtung ist als eine gesonderte Einrichtung ausgeführt, alternativ hierzu jedoch mit wenigstens einem der Rundläufer verbunden oder in diesen integriert in Rundläufer. Bevorzugt erreicht die Übergabeeinrichtung eine Positioniergenauigkeit von < 1 mm.
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Anstelle eines großen Rundläufers, der eine oder bevorzugt auch mehrere Bearbeitungsstufen nacheinander an seinem Umfang umfasst, ist es auch vorgesehen, eine Bearbeitungsstufe auf mehr als einen Rundläufer aufzuteilen oder einzelne Arbeitsschritte auf jeweils einen kleineren Rundläufer zu konzentrieren. Die Anordnung mehrerer Rundläufer nacheinander mit der Übergabe des Formteils oder seiner Vorstufen zwischen diesen Rundläufern hat den Vorteil, dass ein geringerer Raumbedarf vorhanden ist und die einzelnen Rundläufer eine geringere Masse aufweisen. Zudem ermöglichen mehrere Rundläufer, die Bearbeitungszeit des Formteils im Interesse einer schonenden Bearbeitung bei maximaler Ausbringung der Maschine zu verlängern.
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Als Teilbearbeitungseinrichtungen, die an der Fertigung des Formteils mitwirken, sind Rollenspeicher, Vorheizeinrichtung (die vor der Umformung auf den Zuschnitt, einen Zwischenformling oder das Formteil wirkt), Befeuchtungseinrichtung, Trocknungseinrichtung (bevorzugt in die Vorheizeinrichtung oder das Werkzeugheizsystem integriert oder zumindest von diesem mit umfasst), Werkzeugheizsystem (Beheizung der Werkzeuge wie Faltenhalter, Tiefzieh- oder Prägewerkzeuge durch eine integrierte oder ergänzte Heizeinrichtung), Faltenhalter, Beschichtungseinrichtung, Entformungseinrichtung und/oder Nachformeinrichtung vorgesehen. Diese Einrichtungen sind im Wesentlichen aus dem Stand der Technik bekannt, werden aber im Sinne der Erfindung mit beweglichen Arbeitsorganen in der Weise verknüpft, dass auf neuartige Weise eine konsequent und durchgängig kontinuierliche Fertigung auch dort erfolgen kann, wo bisher zumindest einzelne Arbeitsschritte im Stillstand des Formteils durchgeführt werden mussten.
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Befeuchtungseinrichtungen, die eine einfachere Umformung der Materialstruktur und eine verminderte Reibung am Werkzeug hervorrufen, sind nach dem Stand der Technik bekannt. Nach der Erfindung hat es sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, wenn die Befeuchtungseinrichtung zur Abgabe von Aerosol, Dampf oder Heißdampf ausgeführt ist. Damit können sehr kleine Tröpfchen erzeugt werden, die nur die Oberfläche benetzen, ohne zu tief in das Fasermaterial einzudringen. Dadurch werden vorteilhafte Oberflächeneigenschaften erzeugt, die den Tiefziehvorgang erleichtern, ohne jedoch gleichzeitig das Fasermaterial in seiner Gesamtheit oder in einer zu großen Tiefe aufzuweichen, was mit Einbußen an Festigkeit und sonstigen Nachteilen einherginge. Insbesondere ermöglicht eine solche gezielte, oberflächliche Befeuchtung auch eine schnelle und einfache Trocknung des Formteils.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind Trocknungseinrichtung und Heizung, die als in wenigstens ein Werkzeug integriertes Werkzeugheizsystem der Konditionierung des Formteils dienen, als eine gemeinsame Einrichtung ausgeführt. Bevorzugt wird hierzu eine keramische Heizung, eine Impulsheizung oder eine schwingungsbasierte Heizung verwendet.
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Um das nach dem Tiefziehen am Stempel klemmende Formteil zu entfernen, ist eine Entformungseinrichtung vorgesehen, der bevorzugt als Schneideinrichtung kombiniert mit einem Abstreifer aufweisend eine Abstreifkante ausgeführt ist. Durch das Beschneiden des Formteils wird ein ungleichmäßiger, schwer zu greifender Rand entfernt, der anderenfalls vielleicht hinter eine Abstreifkante gleiten könnte. Dadurch wird es somit vermieden, dass ein beim Tiefziehen gebildeter ungleichmäßiger Formteilrand unter die Abstreifkante geraten kann. Indem somit eine beschnittene Kante entsteht, wird das Abstreifen erleichtert.
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Alternativ oder in Kombination mit dem Abstreifer ist die Entformungseinrichtung zur Ausübung von Fluiddruck, der bevorzugt durch den Stempel eingeleitet wird, oder Vakuum auf das Formteil ausgeführt ist. Damit ist es vorgesehen, ohne die Kante des Formteils berühren zu müssen, dieses durch den Druck eines Fluids, beispielsweise Luft, von dem Stempel wegzudrücken. Entsprechendes gilt für den Einsatz eines Vakuums, mit dem das Formteil von außen von dem Stempel, auf dem es klemmt, abgesaugt wird.
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Weiterhin hat es sich im Interesse eines weitgehend beliebig formbaren Formteils als vorteilhaft erwiesen, wenn wenigstens eine Nachformeinrichtung vorgesehen ist. Durch Tiefziehen wird nämlich zwangsläufig ein rechter Winkel zwischen Boden und Wand des Formteils hergestellt, so dass bei einem runden Querschnitt eine zylindrische Form erzeugt wird. Zur Vereinfachung wird nachfolgend ein solches Formteil zylindrisch genannt. Davon abweichende Formen, beispielsweise eine keglige Becherform oder eine Ausbauchung, sind nach dem Tiefziehen durch nachträgliches Aufweiten vorzunehmen. Hierzu sowie auch zum Prägen oder anderen ergänzenden Formgebungen dient die Nachformeinrichtung.
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Besonders bevorzugt ist eine Nachformeinrichtung, die ein Medium, bevorzugt ein Fluid, oder eine Membran aufweist, die mit Druck beaufschlagbar sind, um eine von der Zylinderform abweichende Form des Formteils zu erzeugen. Dazu wird beispielsweise vom Inneren des Formteils her mittels Medium oder Membran Druck gegen die Wandungen des Formteils ausgeübt und diese damit in eine um das Formteil herum angeordnete Form gedrückt. Auch ein Vakuum kann das Formteil gegen die um das Formteil herum angeordnete Form saugen. In allen vorgenannten Fällen erhält das Formteil die vorgesehene endgültige Form im Rahmen der jeweils applizierten Nachformung.
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Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum dreidimensionalen Umformen eines flächigen Fasermaterials unter Einsatz eines Tiefziehverfahrens, wobei Teilbearbeitungseinrichtungen kontinuierlich arbeiten und das Formteil und seine Vorstufen sich mit im Wesentlichen derselben Prozessgeschwindigkeit während der Bearbeitung und zwischen den einzelnen Teilbearbeitungseinrichtungen bewegt.
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Bevorzugt wird zur Ausführung des Verfahrens eine Vorrichtung wie zuvor beschrieben in einer oder mehreren Ausführungsformen eingesetzt.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
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1: Schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Umformanlage als Verfahrensschema und mit Anordnung der Komponenten;
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2: Schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Tiefzieheinheit mit gesteuertem Faltenhalter; und
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3: Schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abstreifeinrichtung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Umformanlage 1 als Verfahrensschema und mit Anordnung der in dem beispielhaften Fall vorgesehenen Komponenten.
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Die Umformanlage 1 dient zum kontinuierlichen, also stoppfreien Herstellen von hohlen Formkörpern vorrangig aus faserbasierten Materialien wie Papier, Karton, Pappe, Vliesstoffen und deren Struktur- oder Schichtverbunden mit Polymeren. Das in der Umformanlage 1 durchgeführte Verfahren ist insbesondere gekennzeichnet durch
- • einen ein- oder mehrstufigen Ablauf durch Ziehen mit starren Werkzeugen für hohe Umformgrade mit der Möglichkeit zunächst in eine Richtung umzuformen und einen Gegenzug (umformen in die entgegengesetzte Richtung) anzuschließen,
- • Prägen des Bodens mit geringeren Umformgraden mit starren Werkzeugen und/oder mittels eines Mediums bzw. Fluids und/oder mittels einer Membran,
- • gezieltes Aufspreizen der gezogenen Formteile,
- • Nachformung gezogener Formteile, bevorzugt durch einen Thermoformvorgang, bei dem zunächst ein Vorheizen und/oder eine Vorbefeuchtung des Materials erfolgen und
- • anschließend eine Ausformung unter anderem in der Wandung der gezogenen Teile mittels eines Mediums und/oder mittels einer Membran.
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Die tatsächliche Reihenfolge der einzelnen Schritte gemäß vorstehender Beschreibung kann variieren und weitestgehend offen bleiben.
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Beim Ziehen erfolgt ein Einformen des Materials in die Ziehmatrize 22, wie in 2 gezeigt, auch als Ziehbüchse bezeichnet, mit einem starren Stempel 21 gem. 2, die Kompression des Materials in der Ziehmatrize 22 und das Nachführenlassen des Materials in die Ziehmatrize 22. Eine Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt eine gesteuerte, definierte Faltenhalterkraft zur Faltensteuerung dar, d.h. mit welcher Kraft der Faltenhalter 23 (2) den Zuschnitt 11 belastet. Dadurch kann der Materialeinlauf in die Ziehmatrize 22 gesteuert werden, vor allem kommt es nicht zu einem Verklemmen des sich unter der Ziehmatrize 22 verdickenden Materials des Zuschnitts 11.
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Gleichzeitig erfolgt eine Erwärmung des zur weiteren Umformung vorgesehenen Formkörpers 15, durch ein Werkzeugheizsystem 24 oder, ebenso wie bei dem Zuschnitt 11 bevorzugt mit Hilfe einer gesonderten Vorheizeinrichtung 25, durch Kontaktheizung und/oder Impulsheizung und/oder schwingungsbasierte Beheizung. Eine Unterstützung des Deformationsverhaltens und eine Fixierung des geformten Formkörpers 15 sind in einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Hilfe von schwingungsüberlagerten Werkzeugen, insbesondere Tiefziehwerkzeugen, erreichbar.
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Der Faltenhalter kann dabei auch segmentiert und die Segmente einzeln steuerbar sein, um eine zonale Einflussnahme auf den Ziehvorgang, vor allem durch eine örtlich dosierbare Faltenhalterkraft, zu ermöglichen. Dabei ist insbesondere eine Kraftsteuerung oder besonders bevorzugt eine Kraftregelung vorgesehen.
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Es ist alternativ vorgesehen, den Tiefziehvorgang als eine Kombination von Ziehen entgegen der Hauptbehälterrichtung zur Ausformung des Bodens über Umformgrade einer Prägung hinaus und anschließendem Ziehen in die entgegengesetzte Richtung vorgesehen.
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Die Fixierung der endgültigen Form erfolgt durch Pressung in der Negativ- oder Positivform und/oder durch gezielte Aktivierung und/oder Verschiebung und Verhakung bestimmter Materialbestandteile, unter anderem Additive (AKD, ASA, Wachs, Stärke) und/oder der natürlichen Polymere (Lignin, Hemicellulose, Cellulose) und/oder zugemischter polymerer Komponenten wie z.B. Polymerfasern, polymere Füllstoffe bzw. Ummantelungen herkömmlicher mineralischer Füllstoffe und/oder kombinierter Faser-Polymerverbindungen (ummantelte Fasern, Fasern mit eingezogenen Polymerkomponenten o.ä.) erfolgen. Die Aktivierung der Materialbestandteile hat eine Ausbildung von mechanischen und/oder chemischen Bindungsmechanismen zur Folge.
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Die Umformanlage 1 gemäß des Ausführungsbeispiels aus 1 weist weiterhin folgende Komponenten auf:
- • einen Rollenspeicher 2 zur Beschickung und ggf. automatischem Rollenwechsler;
- • einen Bahn- oder Magazinabzug 3;
- • eine Stanzeinrichtung 4 zum Ausschneiden und
- • Vorbereitungseinrichtungen, wie Einrichtungen zum Vorrillen auch von Feinstmustern der Zuschnitte (nicht dargestellt);
- • eine Zuführeinrichtung 5 für einen Zuschnitt 11 der passend zur Ausbringung der Umformanlage 1 synchronisiert wird und eine schlupffreie, definierte und positionsgenaue Übergabe des dünnen Zuschnittes 11 faserbasierten Materials in einen Übernahmerundläufer 6 gewährleistet;
- • einen Übernahmerundläufer 6, der die Überführung des Zuschnittes 11 in die Kreisbewegung sichert und an dem eine Vorheizeinrichtung 25 zum Vorheizen und/oder eine Befeuchtungseinrichtung 26 zum Befeuchten des Zuschnittes 11 eine definierte, gesteuerte oder geregelte Konditionierung des faserbasierten Materials vorgenommen werden kann;
- • eine Übergabeeinrichtung 7, die den Zuschnitt 11 vom Übernahmerundläufer 6 in einen Umformrundläufer 8 übergibt, der dann den Ziehvorgang mit starren Werkzeugen, wie einem Stempel 21 und einer Ziehmatrize 22 gemäß 2, und/oder durch Hydroformen zum Formteil 15 umformt und damit in einer alternativen Ausführungsform auch das kombinierte Verfahren Ziehen/Thermoformen bzw. Ziehen/Hydroformen umfasst;
- • einen oder mehrere weitere Umformrundläufer 8, 9 in an die Maschinenausbringung angepasstem Durchmesser (Teilkreis) mit hinreichend kompakt ausgeführter Umformeinheit 20, bevorzugt bestehend aus Ziehmatrize, Stempel, Faltenhalter und ggf. Gegenhalter sowie ggf. Kalibriermatrize und ggf. Unterstützung durch Wirkmedien bzw. eine expandierende Membran als formgebendes Werkzeug und ggf. mit ausgeführt als integriertes Werkzeug mit einem oder mehreren zusätzlichen Thermoformwerkzeugen, die in entsprechender Form mit dem Rundläufer umlaufen und mehrfach auf dem Teilkreis des Rundläufers ausgeführt ist. Die Arbeitsweise der kompakten Umformeinheit ist bevorzugt beidseitig wirkend (in Zugrichtung und zuvor entgegen der Zugrichtung).
- • optional weiteren Umformrundläufern, die die kontinuierliche Nachformung in Form einer Kalibrierung, das Aufweiten, Prägen oder die Fixierung der Endform jeweils einzeln oder in Kombinationen übernehmen. Auch sind bei alternativen Ausführungsformen wenigstens eine Vorheizeinrichtung 25 und/oder eine Befeuchtungseinrichtung 26 vorgesehen. Die Nachformeinheiten sind kompakt und entsprechend der Maschinenausbringung mehrfach ausgeführt.
- • optional einem zum ersten und/oder zweiten Umformrundläufer zwischen- oder nachgeschalteten Rundläufer, der zu einer Aufteilung der Umformgrade genutzt wird, um mehr Zeit für die Verformung des Materials zur Verfügung zu stellen.
- • eine Übergabevorrichtung zwischen den Rundläufern, die entweder Zuschnitt oder Zwischenzustand oder Formteil an der tangentialen Übergangsstelle von einem auf den anderen Rundläufer übergibt und eine passgenaue Positionierung im jeweils nachfolgenden Werkzeug und damit eine geordnete Übergabe ermöglicht. Diese Vorrichtung ist vorzugsweise direkt im Rundläufer integriert bzw. kann auch in der kompakten Umformeinheit integriert sein.
- • eine Entformungseinrichtung 30 in allen kompakten Umformeinheiten, die ein beschädigungsfreies Entformen ermöglicht und gleichzeitig eine definierte Position innerhalb des Maschinenablaufes sichert. Dazu kann alternativ oder ergänzend zu einer mechanisch wirkenden Entformungseinrichtung entweder ein mechanisches Werkzeug zum Abdrücken oder Abziehen des Formteils vom Stempel oder von der Form verwendet werden und/oder ein Luftstrom mit entsprechend kontrolliertem Druck zum Einsatz kommen.
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2 zeigt eine schematische geschnittene Darstellung einer Ausführungsform einer Umformeinheit, einer erfindungsgemäßen Tiefzieheinheit 20 mit gesteuertem Faltenhalter 23. Dabei wird die Kraft, die zwischen dem Faltenhalter 23 und der Ziehmatrize 22 auf den Zuschnitt 11 wirkt (vgl. Pfeile im Faltenhalter 23), gesteuert oder bevorzugt geregelt im Sinne einer Kraftsteuerung oder -regelung. Infolge dessen werden die Zugkräfte auf das Material des Formteils und den Zuschnitt 11 so dosiert, dass der Tiefziehvorgang optimiert wird. Insbesondere hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Kraft über den Verlauf des Tiefziehvorgangs veränderlich ist. Dies ist insbesondere deshalb von Vorteil, weil sich zum Ende des Tiefziehvorgangs hin mehr Material am Einlauf in die Ziehmatrize 22 ansammelt und diese Materialanhäufung bei einem unveränderlichen Faltenhalter 23, wie er nach dem Stand der Technik bekannt ist, zum Klemmen führen kann. Dies wird durch einen gesteuerten, bevorzugt geregelten, besonders bevorzugt kraftgesteuerten oder kraftgeregelten Faltenhalter 23 vermieden.
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Besonders vorteilhaft ist es, insbesondere bei Formteilen, deren Grundfläche von der kreiszylindrischen Form abweicht, den Faltenhalter 23 segmentiert auszuführen. In dem Fall können einzelne Segmente gesteuert oder geregelt werden. So kann in einem bestimmten Bereich des Zuschnitts 11 die Materialanhäufung, in Abhängigkeit von der zu erzielenden Kontur des Formteils, besonders hoch sein und dieses Segment dann entsprechend stärker entlastet werden.
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Die Ziehmatrize 22 ist in der dargestellten Ausführungsform zudem beheizt, wozu ein Werkzeugheizsystem 24 vorgesehen ist, in das Material der Ziehmatrize 22 integriert, wobei auch andere Arten der Anbringung vorgesehen sind, wie die Anbringung auf der dem Formteil zugewandten Innen- oder der Außenseite.
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Alternativ oder ergänzend zur Beheizung der Ziehmatrize 22 ist es ebenfalls vorgesehen, dass Stempel 21 und/oder Faltenhalter 23 beheizt oder beheizbar sind. In dem Werkzeugheizsystem 24 wird der soeben gebildete Formkörper, der durch das Tiefziehen entstanden ist, in seiner Form fixiert. Dies erfolgt beispielsweise durch Veränderungen in der Faserstruktur. Wurde der Zuschnitt 11 zuvor befeuchtet, erfolgt hierbei gleichzeitig eine Trocknung und eine weitere Verfestigung des Materials. Besonders vorteilhaft ist eine impulsartige Beheizung, beispielsweise impulsartige Erwärmung mittels Ultraschall. Dies hat den Vorteil, dass Energie nur im Moment des Einwirkens auch aufgebracht werden muss. Eine Dauerheizung ist sehr ineffizient.
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Die Pressung des Materials im Ziehspalt, die für eine saubere Wandausbildung unerlässlich ist und das Material stark beansprucht, wird durch Pfeile im Stempel 21 verdeutlicht.
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3 zeigt eine schematische teilgeschnittene Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Entformungseinrichtung 30, hier als Kombination von mechanischer und fluidischer Entformung. Dazu sind Fluidkanäle 32, im Teilschnitt am Stempel 21 zu erkennen, und Abstreifkanten 33 vorgesehen.
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Das Formteil 15 umschließt nach dem Tiefziehvorgang den Stempel 21 (vgl. Pfeildarstellung am Stempel 21 in 2) und gleitet nicht von selbst von diesem ab. Die Entformung wird alternativ oder zusätzlich unterstützt durch ein Fluid, z. B. Luft, das durch die Fluidkanäle 32 zum Boden und/oder zur Seitenwand des Formteils 15 geleitet wird. Dadurch wird das Formteil 15 vom Stempel 21 weggedrückt und auch etwas aufgeweitet, so dass es weniger stark am Stempel 21 haftet und leichter abstreifbar ist.
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Wird der Stempel 21, der nach dem Umformvorgang nach unten aus der Ziehmatrize 22 herausgefahren ist, in Pfeilrichtung zurückgefahren, bewegt er sich zusammen mit dem anhaftenden Formteil 15 relativ zu den Abstreifkanten 33, die zuvor in Pfeilrichtung zur Achse des Stempels 21 hin bewegt worden sind. Die Abstreifkanten 33 streifen dadurch beim Zurückfahren des Stempels 21 in Richtung der Ziehmatrize das Formteil 15 vom Stempel 21 ab. Um zu verhindern, dass die Kante des Formteils 15 zwischen Stempel 21 und Abstreifkante 33 gelangt, wird die Kante mit einer Schneideinrichtung 31 beschnitten und bildet eine glatte Kante aus, die sich gut abstreifen lässt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Umformanlage
- 2
- Rollenspeicher
- 3
- Bahnabzug
- 4
- Stanzeinrichtung
- 5
- Zuführeinrichtung
- 6
- Teilbearbeitungseinrichtung, Übernahmerundläufer
- 7
- Übergabeeinrichtung
- 8
- Teilbearbeitungseinrichtung, Umformrundläufer 1
- 9
- Teilbearbeitungseinrichtung, Umformrundläufer 2
- 10
- Teilbearbeitungseinrichtung, Nachformrundläufer, Nachformeinrichtung
- 11
- Zuschnitt
- 13
- Zwischenformling
- 15
- Formteil
- 20
- Umformeinheit, Tiefzieheinheit
- 21
- Stempel
- 22
- Ziehmatrize
- 23
- Faltenhalter
- 24
- Werkzeugheizsystem
- 25
- Vorheizeinrichtung
- 26
- Befeuchtungseinrichtung
- 30
- Entformungseinrichtung
- 31
- Schneideinrichtung
- 32
- Fluidkanal
- 33
- Abstreifkante
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013107932 A1 [0007]
- DE 102013107931 A1 [0008]
