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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Faserformteilen, wobei diese eine hohe Detailtreue und einen Trägerrahmen aufweisen, der eine Matrize in Form des zu erzeugenden Teiles besitzt.
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Faserformteile wie zum Beispiel der bekannte Eierkarton sind eine alternative zu erdölbasierenden Materialien oder aufwendigen Faltzuschnitten aus Karton. Die Passgenauigkeit, Detailtreue und Oberflächengüte von Formteilen sowie die wirtschaftliche Herstellung des Saugformwerkzeuges stellt eine wichtige Voraussetzung für die zukünftige Akzeptanz der Verpackung aus Faserformteilen dar.
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Heute werden Faserformteile nach vier Herstellungsverfahren produziert:
- • Dickwandige Produkte im einfachen Schöpfverfahren
- • Mitteldicke bis dünnwandige Teile im Transferverfahren
- • Mitteldicke Teile mit erhöhter Konturgenauigkeit im Nachpressverfahren
- • Feine Produkte im Thermoformungsverfahren
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Die Anzahl der verschiedenen Verfahren ergibt sich aus der fehlenden Steuerbarkeit der Entwässerung, wodurch Wanddicke, Festigkeitseigenschaften und Oberflächengüte nur in der genannten Art beeinflusst werden können
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Im ersten Prozessschritt wird der Faserrohstoff in einem Behälter mit Rührwerk (Pulper) eingetragen und in der Flüssigkeit (vornehmlich Wasser) aufgeschlagen und vermischt. Die entstandene niederkonsistente Fasersuspension ist das Ausgangsmaterial für die spätere Faserform.
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Als Fasermaterial wird je nach späterer Anwendung des Faserkörpers vor allem organisches Fasermaterial (Altpapier, Zellstoff, Gras, Hanf, Baumwolle etc.) verwendet. In Speziellen Anwendungen ist das Fasermaterial auch Kunststoff, Metall oder mineralischen Stoffen. Suspendiert werden die Fasern zum überwiegenden Teil in Wasser. Die Verwendung anderer Flüssigkeiten ist Spezialanwendungen vorbehalten. Die Fasern sind in jedem Fall gleichmäßig in der Flüssigkeit verteilt. Die Faserkonzentration variiert entsprechend den Erfordernissen der Anwendung.
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Allen Verfahren ist die Verwendung eines Saugformwerkzeuges (Saugform) gemeinsam. Das Saugformwerkzeug des zu produzierenden Teiles taucht in die Fasersuspension ein. Die Flüssigkeit wird durch die Poren der Saugform abgesaugt. Bei dem Entwässerungsvorgang lagert sich Fasermasse an der Oberfläche der Saugform ab und bildet den gewünschten Faserkörper. Beim Entwässerungsvorgang wird die Fasermasse soweit verfestigt, dass sie als feuchter Faserformteil (Faserkörper) vom Saugformwerkzeug (Saugform) abgenommen, oder an einen Transferform übergeben werden kann.
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Im einfachsten Fall (Schöpfverfahren) wird der Faserkörper direkt von der Saugform auf das Laufband der Trocknungseinrichtung übergeben. Das einfache Schöpfverfahren eignet sich für große und robuste dickwandige Formteile. Das Formteil verfügt nach der Trocknung über eine raue Oberflächenstruktur. Beim Transferverfahren wird der Faserkörper von der Saugform an eine Transferform übergeben. Der Faserkörper ist somit bei der Übergabe an das Laufband des Trockners durch die zusätzliche Transferform gestützt. Das Verfahren wird für mitteldicke Faserformteile eingesetzt. Es findet Anwendung in der klassischen technischen Stützverpackung
Das Nachpressverfahren schließt sich an das Transferverfahren an. Nach abgeschlossener Trocknung werden die Teile beim Nachpressverfahren in einem weiteren Arbeitsschritt unter hohem Pressdruck in Form gepresst.
Diese Nachbehandlung dient der Erzielung einer höheren Konturgenauigkeit der Faserformteile.
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Beim Thermoformungsverfahren (Thermo-Forming) wird der Faserkörper direkt von der Saugform auf eine beheizte Pressform übergeben, wodurch die Nachpressung in einem Arbeitsgang mit der Trocknung erfolgt.
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Das Thermoformungsverfahren wird für dünnwandige Faserformteile mit hoher Konturgenauigkeit eingesetzt und findet bei kleinformatigen Designverpackungen Anwendung.
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Das Saugformwerkzeug (Saugform) besteht heute aus einem CNC-gefrästen oder gegossenen Grundkörper aus Metall oder Kunststoff, der von einem feinmaschigen Entwässerungssieb überzogen wird. 1 zeigt einen teilweise mit Sieb 1 bespannten Grundkörper 2. Diese Matrize (Saugmatrize) stellt das Negativ der Form für das herzustellende Faserteil dar.
Der Grundkörper verfügt über ein grobes Raster an Saugbohrungen 3. Das Sieb stellt die erforderliche offene Oberfläche für eine gleichmäßige Absaugung und Entwässerung sicher. Als Siebmaterial werden metallische Siebe aus Bronze, Edelstahl, Kupfer oder anderen Kupferlegierungen oder Kunststoff verwendet.
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Abschließend werden die Matrizen mit einem Trägerrahmen versehen und an einen Saugkasten der Formteilemaschine angebracht. Dieses Bauteil taucht letztlich in die Fasersuspension zur Bildung der Faserforn ein.
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Das passgenaue bespannen der Matrize mit dem Sieb ist sehr aufwendig.
Das Entwässerungssieb wird durch Zuschnitt oder Prägung bestmöglich der Form des Grundkörpers angepasst.
Die Einzelteile des Entwässerungssiebes werden danach durch Löten oder Schweißpunkte miteinander verbunden.
Sowohl das Prägen wie auch das zuschneiden und verbinden der einzelnen Siebteile ist aufwendig.
Das Prägewerkzeug besteht aus einer aufwendig hergestellten Metallform mit einem Negativ- und einem Positivrelief. Zwischen diesen beiden metallischen Platten wird das Entwässerungssieb gelegt. Durch festes Zusammenpressen werden die Formen in das Sieb übertragen.
Das Prägeverfahren kann feine Strukturen einer Matrize nur begrenzt abbilden und darstellen. Diese Begrenzung resultiert aus den minimal möglichen Prägeradien des relativ dicken Siebes. Somit sind auch der Auflösung der Formen Grenzen gesetzt. Dazu kommt noch, dass der Entwässerungswiderstand in einem Sieb nicht gezielt beeinflusst werden kann, sieht man vom aufwendigen und begrenzten Einfluss durch Auflöten von perforierten Formteilen ab.
Durch diese fehlende Beeinflussung der Entwässerung ist es auch nicht möglich, die Dicke des Faserflieses zonal zu beeinflussen, wodurch bei dünnen Wandstärke die Steifigkeit der Faserkörpers unvorteilhaft beeinflusst wird.
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Durch die Siebbespannung können die Strukturen des Formkörpers nur im Umfang der Biegeradien des Siebgewebes abgebildet werden. Dazu kommt noch, dass der Entwässerungswiderstand nicht gezielt beeinflusst werden kann, sieht man von einem aufwendigen und begrenzten Einfluss durch Auflöten von perforierten Formteilen ab.
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Bekannt ist ein Saugformwerkzeug für die Herstellung von Faserformteilen mit hoher Detailtreue und einem Trägerrahmen , der eine Matrize mit der Form des zu erzeugenden Teiles aufweist aus der
GB 2 456 502 A .
Das Werkzeug weist dabei ein zweiteiliges System auf, welches kompliziert herstellbar und kostenintensiv ist. Durch die zweiteilige Struktur ist die Herstellung der Erzeugnisse störanfällig, da hierdurch ein gravierendes Abreinigungsproblem entsteht und sich Verunreinigungen ansammeln können, die die Qualität des Erzeugnisses nachhaltig negativ beeinflussen können. Die erste, feinteilige Schicht ist darüber hinaus anfällig gegen Beschädigungen im Arbeitsprozess.
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Aus der
US 2017/0370049 A1 ist ein ähnliches Saugformwerkzeug bekannt. Auch dieses besteht aus einem zwei- oder sogar aus einem dreiteiligen System. Die Nachteile liegen dann in gesteigerter Form vor.
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Beschreibung der Erfindung
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Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Saugformwerkzeug der eingangs genannten Art zu schaffen, das die Nachteile des Stands der Technik vermeidet. Insbesondere soll das Saugformwerkzeug die Herstellung von Faserformteilen mit hoher Detailgenauigkeit, hoher Steifigkeit bei geringerem Werkzeugaufwand und bei hoher Entwässerungsgeschwindigkeit ermöglichen.
In dieser Art hergestellte Saugformwerkzeuge sollen zusätzlich zu den bekannten Anwendungen, es auch ermöglichen feine Strukturen ähnlich einem Wasserzeichenrelief in die Matrize des Formteiles einzuarbeiten.
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zur Herstellung eines Saugformwerkzeuges mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Dabei werden mehrere Verfahrensvarianten zur Herstellung erfindungsgemäßer Saugformwerkzeuge mit Matrize beschrieben, die mittels 3D-Druck oder eines zum Rapid Prototyping gehörenden Verfahren hergestellt werden und ein Verfahren zur Herstellung eines Faserformkörpers mit detailgenauem Faserkörper benannt.
Ein wesentlicher Vorteil gegenüber dem Stand der Technik ist es, dass weder ein Prägewerkzeug noch Siebzuschnitte erforderlich sind und auch ein wesentlich einfacherer Grundkörper zur Herstellung der Matrize ausreichend ist.
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Grundlage der Erfindung ist es, eine am Computer zuvor erstellte dreidimensionale CAD-Zeichnung, die ein Volumenmodell ist, mittels 3D-Druck oder eines zum Rapid Prototyping gehörenden Verfahren in eine Saugmatrize umzusetzen. Diese „gedruckte“ 3D-Matrize ersetzt den mit Sieb bespannten Grundkörper, das heute verwendet wird.
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In bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsformen wird ein Volumenmodell erstellt, das es ermöglicht, Matrize einschließlich der Entwässerungsperforation, definierter Kontaktflächen zum Trägerrahmen und ausreichender statischer Festigkeit herzustellen.
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Im Folgenden wird in der Regel die Bezeichnung 3D-Druck verwendet, weil das im Umgang der am häufigsten genutzte Oberbegriff für das Rapid-Prototyping ist. Bei dem Verfahren werden CAD-Daten möglichst ohne manuelle Umwege oder teure Formen direkt in ein Werkstück (hier Matrize) umgesetzt. Das Objekt wird schichtweise aus formlosem oder formneutralem Material aufgebaut. Der Grundgedanke bei dieser werkzeuglosen Fertigung ist es, ein Objekt aus einzelnen Schichten generativ aufzubauen. Schicht für Schicht wird das formlose Material verfestigt. Die einzelnen Schichten werden so miteinander verbunden und formen nach und nach das fertige Objekt. Als Werkstoff sind unter anderem Kunststoffe, Kunstharze, Metalle oder Keramik verwendbar.
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Typische Rapid-Prototyping/3-D -Druck-Verfahren sind beispielsweise
- - selektive Lasersysteme, bei denen Kunststoff- oder Metallpulver schichtweise zu einem Element aufgebaut wird,
- - Stereolithografie, bei der ein flüssiger Kunststoff schichtweise zum Modell aufgebaut wird,
- - Multijet Printing, bei dem ein Polymer (Photopolymer) in Form extrem feiner Teilchen schichtweise aufgetragen wird und mit Licht (UV) nachgehärtet wird.
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Bei jenen Verfahrensvarianten, bei denen Relief (Matrize) einschließlich der erforderlichen Entwässerungsperforation erzeugt wird, haben sich stereolithografische Verfahren des Rapid Prototyping als besonders geeignet herausgestellt. Diese Verfahren verwenden flüssige Kunststoffe (Photopolymer) zum schichtweisen Aufbau des Wasserzeichenreliefs. Mit diesem Verfahren lassen sich die erforderlich feinen Entwässerungsstrukturen ausbilden. Weiters sind die lichtaushärtenden Kunststoffe (UV-Licht, oder Laser-Licht) bezüglich ihrer Materialeigenschaften den Erfordernissen des den Einsatzbedingungen bezüglich Steifigkeit, Verschleißfestigkeit und der kraftschlüssigen Verbindung zum Trägerrahmen anpassbar.
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Es sind hier zwei Methoden der Stereolithografie, die hier besonders angesprochen sind. Im ersten Fall geschieht die Matrizenerzeugung in einem Bad, welches mit den Basismonomeren des lichtempfindlichen (photosensitiven) Kunststoff gefüllt ist. Die Matrize wird im Bad schichtweise entweder mit dem Rahmen oder unabhängig vom Rahmen aufgebaut. Bei dem zweiten zur Stereolithografie gehörenden Methode wird die Matrize analog aus einem Photopolymer erzeugt. Das Material wird über einen Druckkopf (ähnlich einem Tintenstrahldrucker) schichtweise aufgetragen. Zusätzlich sorgt eine Lichtquelle für Belichtung und damit Aushärtung der Polymere. Dieses System arbeitet häufig mit einem Wachs als Stützmaterial, welches durch Erwärmen verflüssigt wird. Beide Materialien werden zeitgleich schichtweise aufgetragen.
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Gemäß eines ersten Aspekts der Erfindung ist bei einer Saugformwerkzeug der eingangs genannten Art die Matrize mittels 3D-Druck/Rapid Prototyping gebildet. Die erfindungsgemäße Verwendung des 3D-Drucks oder eines zum Rapid Prototyping gehörenden Verfahren erlaubt dabei die Erzeugung von Matrizen mit außerordentlich detaillierten Formgebung und ohne zusätzliche Präge- oder Gussform oder CNC-Bearbeitung. Bei entsprechend hoher Druckauflösung kann zudem die Entwässerungsperforation der Matrize im selben Arbeitsgang erzeugt werden ohne aufwendige Siebbespannung.
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In einer bevorzugten Erfindungsvariante wird die Matrize einschließlich der erforderlichen Perforierung in einem Arbeitsgang hergestellt (gedruckt).
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Es gibt nun mehrere Arten, die derart gebildete Matrize in den passenden Trägerrahmen für die Formteilemaschine zu integrieren.
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In einer Variante der Erfindung wird die Matrize direkt mit dem Rahmen gedruckt (5). Die Kunststoff- oder Metallmatrize muss dabei so beschaffen sei, dass sie der Beanspruchung in der Formteilmaschine dauerhaft standhält. Hierbei geht es um die Dicke der Matrize und die Festigkeit im stark beanspruchten Anschlussbereich.
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In einer alternativen, ebenfalls vorteilhaften Erfindungsvariante wird die Matrize unabhängig vom Trägerrahmen gedruckt und in einem weiteren Arbeitsschritt mit dem Trägerrahmen verschweißt, verschmolzen, verklebt, formschlüssig oder mittels mechanischer Verbindung verbunden (6a und 6b).
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In beiden Varianten kann die Matrize die Perforationen bereits beim Druck erhalten oder diese erst in einem weiteren Arbeitsschritt erhalten.
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Die Matrize weist vorzugsweise eine Mehrzahl von Perforationen (Poren, Bohrungen, Kanäle) oder eine materialstrukturbedingte Porosität auf, die die Entwässerung bei der Faserform sicherstellen. Die offene Fläche kann in verschiedenen Bereichen der Matrize zudem unterschiedlich sein und liegt in der Regel zwischen 10% und 90% offener Fläche, vorzugsweise 15% und 75%, besonders bevorzugt zwischen 25% und 40%.
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Der Durchmesser der Perforierung an der Designseite reicht in der Regel von 0,15 mm bis 3 mm, bevorzugt von 0,3 mm bis 1 mm. Im Anschluss an die Perforierung folgt bei Bedarf eine offene gedruckt Struktur die bevorzugt der Stabilität dient und ausreichen offenen Raum bereitstellt für die Entwässerung.
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In beiden Varianten kann die Matrize die Perforationen bereits bei der Vereinigung mit dem Trägerrahmen bereits enthalten oder die Perforation erfolgt erst in einem weiteren Arbeitsschritt.
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Bevorzugt verjüngen sich die Perforationsöffnungen zur oben liegenden Designfläche der Matrize hin.
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Im Fall der beim Druck erzeugten Perforationsöffnungen, können diese in jeder Form gestaltet sein, kreisförmig, sternförmig, oval, schlitzförmig. Die Perforierung kann dazu auch in Z-Richtung derart gestaltet sein, dass sie sich von einer kreisförmigen Öffnung in der Designoberfläche beispielsweis kegelförmig zu einem Vieleck an der Unterseite erweitert (7a und b). Dabei ergibt sich beispielsweise eine tragende wabenförmige Struktur mit definierten tragenden Stegen an der dem Vakuum zugewandten Seite der Matrize.
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Durch die gezielte Gestaltung der kegelförmigen Erweiterung, wie diese nur beim 3-D-Druck/Rapid Prototyping möglich ist, kann der Druckverlust in den Perforationsöffnungen gezielt beeinflusst werden. Auch der Gestaltung einer integrierten tragfähigen Unterkonstruktion mit ausreichenden Festigkeitseigenschaften und offenen Volumen ist nur beim 3-D-Druck/Rapid Prototyping möglich.
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Entsteht die Perforation nicht beim Druckvorgang, wird diese nachträglich in einem separaten Arbeitsgang unter Verwendung von Laserstrahl, Bohrer, Plasmaschneiden, Wasserstrahlschneiden etc. eingebracht. Dabei kann die Matrize bereits mit dem Rahmen verbunden sein oder der Arbeitsgang wird außerhalb in einer vom Rahmen unabhängigen Position durchgeführt.
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Die Perforationen werden dabei vorzugsweise mittels Laserstrahl erzeugt, insbesondere mittels eines Infrarot-Lasers, wie beispielsweise eines CO2-Lasers. Vorzugsweise wird die Matrix dabei von seiner der Designfläche abgewandten Rückseite mit Laserstrahlung beaufschlagt, so dass sich zur Designfläche der Matrize hin verjüngende Perforationen ergeben.
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Die Erfindung umfasst auch die im Folgenden beschriebenen Verfahrensvarianten gemäß den Patentansprüchen 1 und 2 zur Herstellung eines Saugformwerkzeuges für die Herstellung von Faserformteilen in hoher Detailschärfe.
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Die Verfahrenslösung nach Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, dass
- a) ein Trägerrahmen oder die Form des Trägerrahmen passend zur Faserformteilmaschine bereitgestellt wird, und
- b) die Matrize aus zwei Teilen besteht, einem Stützkörper (Matrizen-Grundkörper) mit der geringfügig verkleinerten/vergrößerten Form des zu erzeugenden Faserformteile einschließlich der erforderlichen Entwässerungslöcher mittels 3D-Drucker oder eines zum Rapid Prototyping gehörenden Verfahren oder nach einem anderen Verfahren (CNC- gefräst und gebohrt) hergestellt wird, und
- c) einer Matrizen-Maske mit der detailgetreuen Form des zu erzeugenden Faserformteile einschließlich der erforderlichen Entwässerungsperforierung mittels 3D-Druck oder eines zum Rapid Prototyping gehörenden Verfahren hergestellt wird und
- d) die beiden Teile der Matrize mit dem Rahmen verschweißt, verschmolzen, verklebt, formschlüssig oder mittels mechanischer Verbindung verbunden werden. Optional kann der Rahmen, Bestandteil des Stützkörpers sein, wodurch nur die Matrizen-Maske mit diesem verbunden wird.
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Der Verfahrensanspruch 2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Saugformwerkzeuges für die Faserformteil-Herstellung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
- a) ein Trägerrahmen oder die Form des Trägerrahmen passend zur Faserformteilmaschine bereitgestellt wird, und
- b) die Matrize aus zwei Teilen besteht, einem Stützkörper mit der geringfügig verkleinerten/vergrößerten Form des zu erzeugenden Faserformteile einschließlich der erforderlichen Entwässerugslöcher mittels 3D-Drucker oder eines zum Rapid Prototyping gehörenden Verfahren oder nach einem anderen Verfahren (CNC- gefräst und gebohrt) hergestellt wird, und
- b) die Matrize mit der detailgetreuen Form des zu erzeugenden Faserformteile ohne der erforderlichen Entwässerungsperforierung mittels 3D-Druck oder eines zum Rapid Prototyping gehörenden Verfahren (gedruckt) wird, und
- c.) die Perforierung der Matrize vorzugsweise mittels Laserstrahl erzeugt wird und
- d) die beiden Teile der Matrize mit dem Trägerrahmen verschweißt, verschmolzen, verklebt, formschlüssig oder mittels mechanischer verbunden werden.
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Figurenliste
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Die Erfindung soll nachstehend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
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Es zeigen:
- 2 ein Saugformwerkzeug mit im Trägerrahmen eingebrachten perforierter Matrize, in der Form des zu erzeugenden Faserformteile.
- 3 eine schematische Darstellung eines Faserformteiles mit hoher Detailschärfe,
- 4 einen in einem Rahmen fixierte Saugmatrize. In a als Querschnitt und in b als Aufsicht die mit dem Rahmen verbundene perforierte Matrize (Perforation nicht dargestellt).
- 5 eine mögliche Varianten, um einen Saugmatrize mit der detailgetreuen Form des zu erzeugenden Faserformteiles einschließlich der erforderlichen Entwässerungsperforierung (Perforation nicht dargestellt) mittels 3D-Druck oder eines zum Rapid Prototyping gehörenden Verfahren in einem Arbeitsgang einschließlich des Trägerrahmens herzustellen,
- 6 in a bis b zwei mögliche Varianten, um eine Saugmatrize mit der detailgetreuen Form des zu erzeugenden Faserformteiles einschließlich der erforderlichen Entwässerungsperforierung (Perforation nicht dargestellt) mittels 3D-Druck oder eines zum Rapid Prototyping gehörenden Verfahren herzustellen, in (a) eine selbstragende Matrize die mit dem Trägerrahmen verschweißt, verschmolzen, verklebt, formschlüssig oder mittels mechanischer Verbindung verbunden wird, in b als dünnwandigen Matrizen-Maske auf einem Stützkörper mit Trägerrahmen und mit diesem verschweißt, verschmolzen, verklebt, formschlüssig oder mittels mechanischer Verbindung verbunden ist,
- 7 in a und c einen Querschnitt und b eine Aufsicht einer Matrize mit spezieller wabenförmiger Perforierung,
- 8 einen Ausschnitt aus einem Volumenmodell,
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Die Erfindung wird nachfolgend am Beispiel eines Faserformteiles erläutert. 3 zeigt dazu eine Darstellung eines Faserformteil 11, das ein fein ausgeführtes Detail, in Form einer Nummer 12 nur als Steg angedeutet enthält. Die Herstellung von Faserformteilen mit Komplexen, detailscharfen Konturen erfolgt erfindungsgemäß unter Verwendung eines der nachfolgend beschriebenen Saugformwerkzeugen mit am 3D-Drucker erzeugten Matrize. 2 zeigt wie die Matrize 13 beispielsweise in einem Trägerrahmen 14 zu einem Saugformwerkzeug 15 zusammengebaut ist, durch das die Entwässerung erfolgt und dabei das Faserformteil gebildet wird. Die Matrize 13 des Faserformteiles 11 befindet sich bei Bedarf mehrfach in dem Trägerrahmen 14 für eine Formteilmaschine. In der Formteilmaschine können mehrere Trägerrahmen montiert sein, somit können bei einem Entwässerungsdurchgang mehrere entsprechende Faserformteile entstehen.
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In einer ersten, mit Bezug auf die 6a und b beschriebenen Erfindungsvariante werden zunächst separate Matrizen mittels 3D-Druck oder eines zum Rapid Prototyping gehörenden Verfahren hergestellt. Diese werden, wie bereits in den Verfahrensvarianten gemäß Patentansprüchen 1 und 2 beschrieben, mit dem Trägerrahmen verschweißt, verschmolzen, verklebt, formschlüssig oder mittels mechanischer Verbindung verbunden.
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Das entstandene Saugfornwerkzeug 15, der in 4b in Aufsicht und in 4b im Querschnitt dargestellt ist, zeigt eine sehr detailreiche Abbildung der als 3-D-Volumenmodell vorgegebenen CAD-Form.
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Wie in 4 und in den folgenden Figuren ist der Querschnitt der detaillierten Form jeweils nur schematisch durch eine beispielhafte Form dargestellt.
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In 6a wird die Matrize mit einem Trägerrahmen verbunden. In 6b wird die Entwässerungs-Matrize zusammen mit einem mit Entwässerungsbohrungen versehenen Stützkörper am Trägerrahmen verbunden.
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In weiteren, mit Bezug auf die 5, beschriebenen Erfindungsvarianten werden die Matrizen mittels 3D-Druck oder eines zum Rapid Prototyping gehörenden Verfahren einschließlich des Trägerrahmens gedruckt. Der Ablauf zur Herstellung der Matrize und des Saugformwerkzeuges ist bereits in den o. g. weiteren Verfahrensvarianten beschrieben.
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In 5 wird die Matrize einschließlich des Trägerrahmens gedruckt.
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Der 3D-Druck/ Rapid Prototyping erlaubt die Erzeugung außerordentlich detaillierter Matrizen 13. Auch wenn in den Matrizen stets die Designfläche 16 und die Rückseite 17 mit ähnlicher Formgebung gezeigt ist, kann bei entsprechender Gestaltung des CAD-Modells selbstverständlich auch die Rückseite 17 eine Form entsprechend den Erfordernissen der optimierten Festigkeits- oder Entwässerungseigenschaften aufweisen, oder so dass beispielsweise ein Anpassung an einen einfachen Stützkörper 32 möglich ist. Die Abbildungen der perforierten Wasserzeicheneinsätze in 4, 5 und 6 sind ohne Perforation dargestellt.
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Die Perforationslöcher der Matrizen die zur Entwässerung bei der Faserformherstellung erforderlich sind, entstehen, wie bereits im Anspruch 1 und 2 beschrieben, entweder beim Druck der Matrize oder diese werden in einem separaten Arbeitsgang mit Trägerrahmen oder außerhalb des Trägerrahmens nachträglich eingebracht.
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Die Erzeugung der Perforation der Matrize beim Druck ist nur in Verbindung mit entsprechend hochauflösendem 3D-Druck möglich, da der Durchmesser der Perforation an der Designfläche bis etwa 0,1 mm klein sein kann, vorzugsweise 0,2 mm bis 3 mm beträgt. Dabei kann der Durchmesser wie auch der Lochabstand abhängig von der Position innerhalb der Matrize des Formteils variieren. Durch die dabei entstehende unterschiedliche freie Oberfläche wird die Entwässerung in der Matrize und damit die Festigkeitseigenschaften der Formteile (Steifigkeit, Wanddicke und Oberflächengüte) gezielt beeinflusst.
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Die im Querschnitt (7a, 7b) dargestellten Entwässerungsperforationen 20 sind beispielsweise derart ausgeführt, dass sich ihre Durchmesser von der Saugseite (Unterseite) 17 zur Designfläche 16 verjüngen. Auf diese Art wird die Selbstreinigung der Entwässerungsporen und der Entwässerungswiderstand sichergestellt.
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Die Perforierung kann zudem, wie in 7a und b, derart gestaltet sein, dass die Perforationsöffnungen in der Designoberfläche beispielsweise rund sind und sich kegelförmig zu einem Vieleck erweitern. Die dabei gebildeten Stege 30 zwischen den einzelnen Durchgangslöchern können auch Queröffnungen 31 haben. Dies ist notwendig, wenn die perforierte Matrize beispielsweise auf einem Stützkörper 32 aufgebracht ist, der mit einer geringeren Anzahl an Durchgangskanälen 33 versehen ist, um die Absaugleistung aller Perforationslöcher 20 der Matrize zu gewährleisten. Dies gilt sowohl im Fall das die Matrize vollflächig mit dem Stutzkörper verschweißten, verschmolzenen, verklebten, formschlüssig verbunden ist, wie auch im Fall wen die Matrize nur im Bereich des Trägerrahmen verbunden ist.
Die Herstellung derart komplexer Durchgangsöffnungen ist nur im 3-D-Druck möglich.
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Es besteht auch die Möglichkeit, die Oberflächenstruktur des Stützkörpers Mit Rillen oder Kanälen zu versehen um die Verteilung der Saugleistung sicherzustellen.
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Bei nachträglich erzeugter Perforation der Matrize geschieht dies durch Wasserstrahl oder Laser. Die Entwässerungsperforationen werden mit Vorteil mit einem Laserstrahl gebohrt, beispielsweise mit dem Strahl eines CO2-Lasers. Der Fokusdurchmesser des Lasers entspricht dabei dem gewünschten maximalen Perforationsdurchmesser und beträgt beispielsweise 500 µm. Die Laserbestrahlung erfolgt vorzugsweise von der Rückseite des Matrize 17 her, so dass aufgrund der Energieverteilung bzw. der Wärmeeinwirkung des Laserstrahls sich zur vorderseitigen Designfläche 16 des Einsatzes hin verjüngende Perforationen 20 entstehen, wie in 7 (a) dargestellt. Die Gestaltungsmöglichkeiten der Durchgangsöffnungen sind gegenüber dem 3-D-Druck jedoch sehr begrenzt.
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In speziellen Ausführungsformen kann in Bereichen wo aus Festigkeitsgründen hohe lokale Materialstärke gefordert wird mit einer großen offenen Fläche der Entwässerungsporen gearbeitet werden, so dass in diesen Bereichen eine Starke Entwässerung erfolgt und so sich viele Faser ablagern. In diesen Bereichen wird somit eine Dickstelle im Faserformteil erzeugt. Die wenig perforierten Bereiche mit hoher Materialstärke der Matrize ergeben hingegen geringe Faserablagerung und damit Dünnwandige Bereiche. Mit einem derartigen Einsatz von offener Entwässerungsfläche kann die Steifigkeit des Faserformteiles vorteilhaft beeinflusst werden.
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Im Ausführungsbeispiel der 7 beträgt der Durchmesser der Perforationen auf der Rückseite (Vakuum-Seite) 17 der Matrize zwischen 0,2 mm und 3,5 mm. Der Durchmesser an der Designfläche 16 hängt bei lasergebohrten Perforationen, wegen der Verjüngung der Perforationen, von der lokalen Materialstärke des Einsatzes ab. Wie bei 7c ersichtlich, fällt der Perforationsdurchmesser d an der Designfläche 16 in Bereichen großer Materialstärke 21 kleiner aus, als in Bereichen geringer Materialstärke 22. Bei gedruckten Perforationsöffnungen entspricht der Durchmesser der Konstruktionsvorgabe und ist in weiten Bereichen variabel.
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Die sich zur Designfläche hin verjüngenden Perforationen 20 bieten gegenüber geradflächigen Perforationen zwei Vorteile: Zum einen schaffen sie einen Freilauf in Fließrichtung der Fasersuspension bei der Papierherstellung und verhindern so wirkungsvoll ein dauerhaftes Zusetzen der Entwässerungsperforationen.
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Zum anderen dienen die Bereiche großer Materialstärke 21 der Erzeugung von Dünnerer Stellen im Formkörper.
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Anhand der 8 wird eine bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform beschrieben. Bei dieser wird ein Volumenmodell erstellt, das es ermöglicht, Matrizen einschließlich der Entwässerungsperforation und definierter Festigkeit mit variabler Wanddicke herzustellen.
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Standardmäßig ist der Ausgangspunkt bei der Herstellung einer Matrize ein im CAD konstruiertes Volumenmodell.
Erfindungsgemäß erfüllt das Volumenmodell noch folgende beide Voraussetzungen. Die zur Entwässerung erforderlichen Perforationen sind Bestandteil des Volumenmodells und werden im CAD berücksichtigt. Des Weiteren ist die Oberfläche, auf die Matrize aufgebracht wird, Bestandteil des Volumenmodells, wobei das Volumenmodell die Oberfläche des Stützkörpers als negatives Abbild an der Unterseite im Bereich der Kontaktfläche zwischen Matrize und Stützkörper darstellt.
Darüber hinaus kann die Durchgangsperforation derart gestaltet sein, dass die Materialvolumen zur Rückseite 17 entsprechend der Festigkeitsanforderungen gestaltet ist.
Darüber hinaus kann die Schrumpfung im Trocknungsprozess durch Skalierungsfaktoren in der Ebene und in der Höhenkoten angepasst werden.
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Im CAD-Modell sind diese Voraussetzungen über Funktionen verknüpft. Diese können auch als Varianten-Programme gestaltet sein.
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8 zeigt einen kleinen Ausschnitt 90 (Breite b = 2,5 mm; Länge I = 2,5 mm) eines Volumenmodells zu einer Matrize. Der Einfachheit halber wird die komplexe Oberfläche 91 durch eine gewellte Fläche dargestellt. Im dargestellten Fall ist die Dicke C des Volumenelements durch eine ebene Fläche an der Unterseite und die genannte gewellte Fläche an der Oberseite begrenzt.
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In dieser Abbildung ist auch die Perforation dargestellt. Es handelt sich um kegelförmige Durchgangsporen mit zylindrischem Auslauf 92, die sich zur Oberfläche des Wasserzeicheneinsatzes verjüngen. Die mittleren Kegeldurchmesser liegen in der Größenordnung von etwa 0,3 mm bis 3,5 mm. Je nachdem, an welcher Stelle die Spitzen der Kegel von der gewellten Oberflächenkontur geschnitten werden, ergeben sich größere oder kleinere Durchgangslöcher. Im dargestellten Volumenmodell sind alle Kegel bezüglich Höhe und Basisdurchmesser gleich. Varianten mit vieleckigen Kegeln oder mit Kegeln unterschiedlicher Höhe bzw. unterschiedlicher Grundfläche sind möglich. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, die offene Fläche an der Oberseite der Matrize in der Gesamtheit bzw. lokal zu variieren.
