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Die
Erfindung betrifft Behälter
mit strukturierter Wandung, insbesondere beulstrukturierte Behälter, wie
Flaschen und Dosen, insbesondere aus Kunststoff oder dünnem Feinblech,
bei denen der Behälter
eine hohe Formsteifigkeit erhält
und die Strukturfalten, wie Beulfalten oder Faltstege, bei örtlicher Druckbelastung
von außen
formstabil gegen bleibendes Einknicken sind und die Strukturmulden
der Beulen oder Wölbstrukturen
formstabil gegenüber
innerer Druckbelastung sind.
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Derartige
strukturierte Behälter
werden zwecks Einsparung von Materialien in vielen Bereichen der
Technik, wie Verpackungen und Trommeln benötigt. Bei diesen Produkten
ist eine hohe Festigkeit bzw. Formsteifigkeit bei Stapellast und
Implosionsbelastung trotz dünner
Wanddicke gewünscht, um
Material, Transportgewicht und Abfall einzusparen, und um ferner
die Gebrauchseigenschaften, wie eine hohe Griffsteifigkeit und Stabilität gegenüber Innendruck
zu gewährleisten.
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Es
sind Verfahren zur Beulverformung von Materialbahnen und Folien
bekannt, bei denen Materialbahnen oder Folien eine gleichmäßige, versetzte Beulstruktur
vorzugsweise auf der Basis einer Selbstorganisation dadurch erhalten,
dass gekrümmte Wände auf
der Innenseite durch Stützringe
oder Stützspiralen
abgestützt
und durch äußeren Überdruck
oder inneren Unterdruck beaufschlagt werden (
DE 43 11 978 C1 ,
DE 44 01 974 A1 ).
Die hierbei ablaufenden Vorgänge
sind komplex und werden deshalb nachfolgend näher erläutert: Unter Selbstorganisation
der Beulfalten ist ein Vorgang zu verstehen, bei dem sich der Werkstoff
mehrdimensional nahezu selbstständig
derart faltet, dass sich seine Formsteifigkeit verbessert. Dieser
Umformprozess des Beulstrukturierens erfolgt beispielsweise in der
Weise, dass das gekrümmte,
dünnwandige
Material, das innen durch im Abstand zueinander angeordnete, starre
Stützringe
oder durch eine schraubenförmige, starre
Stützspirale
(
DE 25 57 215 A1 )
abgestützt wird,
durch äußeren Druck
instabil wird. Die Instabilität
löst eine
mehrdimensionale Faltung aus, und dadurch bilden sich versetzte,
viereckige Beulstrukturen. Werden anstatt der starren Stützelemente
flexible Stützelemente,
beispielsweise aus Gummi, die sich während des Beulstrukturierens
in axialer Richtung auf einem Kern verschieben können, verwendet, entstehen
etwa sechseckige Beulstrukturen. Diese sechseckigen Beulstrukturen
lassen sich auch durch sechseckige, starre Stützelemente herstellen. Ein
Minimum an plastischer Verformung der Materialbahn tritt dann auf;
wenn sich das Material in freier Selbsteinstellung verformen kann.
Hierzu wird bei der Verformung der Materialbahn, mittels einer hydraulischen
oder elastischen Druckübertragung,
die Beulstruktur mittels Stützelementen
nur vorgegeben, so dass diese Stützelemente
im Laufe der Strukturierung nachgeben, dass die Strukturfalten die
Funktion der Stützelemente
selbst übernehmen,
und dass die Beulfalten und Beulmulden in freier Selbsteinstellung eine
solche optimale Form annehmen, dass sie dem herrschenden Verformungsdruck
bei minimaler Plastifizierung standhalten (
EP 0 888 208 B1 ). Dabei
stellen sich etwa wappenförmige
Strukturen ein, bei welchen etwa s-förmig gekrümmte Beulfalten jeweils eine
Beulmulde einschließen,
und auf diese Weise eine Wappengestalt entsteht.
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Die
versetzte Beulstruktur kann in Kunststoffflaschen dadurch erzeugt
werden, daß Modelle
für Formteile
zum Extrusionsblasen von Kunststoffen gefertigt werden (
DE 43 11 978 C1 ).
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Im
Unterschied zur Selbststrukturierung wird die erzwungene Strukturierung
gesehen. Dabei werden dem Material z.B. durch Pressen oder Tiefziehen in
weiten Grenzen beliebige Strukturen aufgezwungen, die sich nicht
frei einstellen können.
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Darüber hinaus
ist es auch bekannt, mit Pressen oder dergleichen Werkzeugen Strukturen
in das Material einzudrücken,
die sich auch durch bloße Anregung
nach dem Verfahren der Selbststrukturierung bilden.
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Es
ist ferner ein Verfahren bekannt, bei dem Materialbahnen von beiden
Seiten (
DE 196 34
244 A1 ) oder bei dem größere Beulen
mit kleinen Gegenbeulen versehen werden (
DE 196 51 937 A1 ).
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Schließlich ist
ein großvolumiger
industrieller Verpackungsbehälter
bekannt, bei dem z.B. ein Spundfass oder Deckelfass aus Stahlblech
oder Kunststoff mit Rollsicken und Wölbstrukturelementen versehen
ist, um eine höhere
Steifigkeit gegen Unterdruckbildung zu erzielen (
DE 100 21 117 A1 ). Die Vorteile
dieses großvolumigen
Verpackungsbehälters
beschränken
sich jedoch insbesondere auf den Fall von Sicherheitsfässern, die
bei der Abfüllung
mit heißen
Füllgütern einen
erheblichen inneren Unterdruck erfahren. Dabei tragen die Rollsicken
stärker zur
Formstabilität
bei als die Wölbstrukturen.
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Es
sind aus der
EP 0 888
208 B1 Verfahren bekannt, bei denen sechseckige oder versetzte
viereckige oder wappenförmige
Stützelemente
beim Beulstrukturieren beispielsweise für Dosen zum Einsatz kommen,
deren Geometrie der Geometrie der sich frei einstellenden Beulfalten
entspricht. Bei dem freien Einstellen muß eine Beulbildung nur angeregt werden,
um sich selbständig
weiterzubilden. Die sich so frei einstellenden Strukturen sind als
Selbststrukturierung bekannt und werden als ein Bionikbeispiel angesehen.
Diese Beulstrukturen verleihen dem strukturierten Material bereits
eine hohe isotrope Formsteifigkeit. Das Rückstellverhalten dieser beulstrukturierten
Behälter
wurde jedoch noch immer als verbesserungsbedürftig empfunden. Deshalb ist
es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Behälterwandausformung derart zu
verbessern, dass das Rückstellvermögen solcher
Behälter
eine entscheidende Verbesserung zeigt.
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Gelöst wird
diese Aufgabe dadurch, dass die Rundungen der Beulfalten oder Faltstege
etwas flacher ausgeführt
werden, als sie sich durch die Beulstrukturierung ergeben würden.
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Überraschenderweise
hat sich gezeigt, dass sich durch diese flacheren Rundungen der
Faltstege bzw. der Mulden der Beulstrukturen eine bleibende Knickstabilität der konvexen
Faltstege auch bei äußerer örtlicher
Druckbelastung erzielen lässt.
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Die
so strukturierten Mulden und Faltstege bleiben bei innerem Überdruck
so formsteif bzw. formelastisch, dass sie sich bei erhöhtem Innendruck zwar
etwas ausformen können,
jedoch bei Druckentlastung, wie beim Öffnen des Behälters wieder
in ihre ursprüngliche
Gestalt zurückkehren.
Ferner kann man wahlweise erreichen, daß die konvexen Faltstege der
Strukturen bei örtlicher äußerer Druckbelastung,
wie beim Greifen, zwar kurzzeitig etwas einknicken können, jedoch
nach dem Loslassen des Behälters,
wobei die äußere Druckbelastung
wieder aufgehoben wird, sofort wieder in ihre ursprüngliche
Lage zurückspringen
und deshalb nicht stören.
Die Ursache hierfür
liegt in dem verbesserten elastischen Verhalten der beulstrukturierten
Wand des Behälters durch
etwas sanftere Rundungen der Faltstege und Mulden der Strukturen.
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Eine
weitere Ausgestaltung des strukturierten Behälters gemäß der Erfindung besteht darin, dass
der Rumpf des Behälters
eine leichte Taille erhält,
so dass dort der Querschnitt etwas verringert wird. Auf diese Weise
lassen sich die elastischen Rückstellkräfte zusätzlich verbessern.
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Im
Folgenden sind beispielhaft einige Ausführungsbeispiele der strukturierten
Behälter
gemäß der Erfindung
dargestellt.
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1 zeigt
die Draufsicht auf eine 0,5 Liter Trinkflasche aus PET-Kunststoff
im Maßstab
1:1.
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2 zeigt
den Teilschnitt A-A der PET-Trinkflasche aus 1 im Maßstab 2:1.
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3 zeigt
den Teilschnitt B-B der PET-Trinkflasche aus 1 im Maßstab 2:1.
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4 zeigt
den Teilschritt A-A der PET-Trinkflasche aus 1 im Maßstab 2:1,
wobei die Rundungen der Mulden sanfter ausgeführt sind.
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5 zeigt
den Teilschritt B-B der PET-Trinkflasche aus 1 im Maßstab 2:1,
wobei die Rundungen der Faltstege sanfter ausgeführt sind.
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6 zeigt
die perspektivische Draufsicht auf eine Konservendose aus hochfestem,
sehr dünnen
Weißblech.
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7 zeigt
einen Ausschnitt aus dem Strukturfeld aus 6 mit dem
Teilschritt A-A und dem Teilschnitt B-B.
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8 zeigt
einen Ausschritt aus dem Strukturfeld aus 6 mit dem
Teilschnitt A-A und dem Teilschritt B-B, wobei die Rundungen der
Faltstege (Teilschnitt A-A) und der Mulden (Teilschnitt B-B) sanfter
ausgeführt
sind.
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Im
Folgenden sind die Ausführungsbeispiele beispielhaft
näher erläutert:
Der
Flaschenrumpf (1) der 0,5 Liter PET-(Polyethylentherephthalat)Trinkflasche
(2) mit dem Durchmesser von 65 mm und der Höhe von etwa
203 mm enthält
eine Beulstruktur, die auf dem Umfang acht hexagonale Strukturen
und in senkrechter Richtung vier Strukturreihen mit Beul- bzw. Wölbstrukturen
mit einer Schlüsselweite
(SW) von 25 mm enthält.
Diese Strukturanordnung entspricht den Beulstrukturen, die sich
aus der Selbstorganisation ergeben. Es sind aber auch sechs bis
zehn Beulstrukturen auf dem Umfang und ferner in senkrechter Richtung
unterschiedliche Strukturreihen denkbar. Der obere und der untere
zick-zack-förmige
Verlauf der Strukturfalten grenzt unmittelbar an den glatten Rumpfteil
an und erhöht
so die Formsteifigkeit und ferner die elastischen Rückstellkräfte, obwohl
hier die Rundungen stark ausgeprägt
sein können.
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Der
Teilschritt A-A in 2 ergibt beispielhaft formsteife
Mulden mit einem Radius (3) R von 34 mm in senkrechter
Richtung.
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In 3 ist
der Radius (4) der Mulde in Umfangsrichtung nahezu unendlich,
d. h. hier ist die Wand nahezu gerade, damit die formgeblasene Flasche
mühelos
ohne sogenannte Hinterschneidung aus den zweiteiligen Blasformwerkzeugen
wieder herausgenommen werden kann. Der Radius (5) der Faltstege
beträgt
hier 3 mm.
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Diese
0,5 Liter PET-Trinkflasche ist zwar sehr formsteif; sie kann jedoch
beim unbeabsichtigten festen Greifen oder starken Anstoßen der
offenen Flasche an den Faltstegen im mittleren Bereich des strukturierten
Rumpfes so einknicken, daß diese
Knicke nicht wieder verschwinden.
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Für den Fall,
daß diese
denkbaren unerwünschten
Knicke auf jeden Fall vermieden werden sollen, werden im Teilschritt
A-A in 4 die senkrechten Rundungen der Mulden (6)
sanfter mit dem Radius von 50 mm ausgeführt. Gleichzeitig wird in 5 auch
der Radius des Faltsteges (7) mit R von 4 mm sanfter ausgeführt. Jedoch
wird die Formsteifigkeit der Trinkflasche durch die sanfteren Rundungen
etwas reduziert.
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Die
gewählten
Radien für
die steife 0,5 Liter PET-Trinkflasche nach 2 und 3 und
für die mit
sanfteren Rundungen versehene 0,5 Liter PET-Trinkflasche nach 4 und 5 sind
beispielhaft. Die optimalen Radien ergeben sich in Abhängigkeit
von der Werkstoffbeschaffenheit, der Wanddicke, der Größe und Tiefe
der Beulstrukturen und der geometrischen Abmessungen der Trinkflasche
selbst.
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In 6 ist
eine Konservendose (8) mit dem Durchmesser 99 mm und der
Höhe 119
mm schematisch dargestellt. Sie enthält 14 hexagonale Beul- bzw.
Wölbstrukturen
der Schlüsselweite
SW von 22,25 mm auf dem Umfang und 5 Strukturreihen in der senkrechten
Richtung. Bei einer Wanddicke von beispielhaft 0,13 mm entspricht
diese Strukturanordnung den Beulstrukturen, die sich aus der Selbstorganisation
ergeben. Es sind aber auch bei gleicher Wanddicke zehn bis siebenzehn
Beulstrukturen auf dem Umfang und ferner in senkrechter Richtung
unterschiedliche Strukturreihen denkbar. Bei größerer Wanddicke verringert
sich die Anzahl der Beulstrukturen auf dem Umfang auf acht bis sechzehn
Strukturen.
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In 7 sind
beispielhaft die Radien der Faltstege (9) R von 1,5 mm
im Teilschnitt A-A und die senkrechten Radien (10) der
Mulden R von 36 mm dargestellt. Bei diesen Radien ergibt sich eine
hohe Implosionsfestigkeit und eine hohe Stapelfestigkeit für ein hochfestes
Weißblech
der Dicke 0,13 mm der Firma Hoesch Rasselstein mit einer Zugfestigkeit
von etwa 900 N/mm2.
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Diese
Konservendose ist zwar sehr formsteif; sie kann jedoch beim unbeabsichtigten
festen Greifen oder sehr starken Anstoßen der Dose an den Faltstegen
im Bereich des strukturierten Rumpfes so einknicken, daß diese
Knicke nicht wieder verschwinden.
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Für den Fall,
daß diese
denkbaren unerwünschten
Knicke auf jeden Fall vermieden werden sollen, werden beispielhaft
in 8 im Teilschritt A-A der Radius (11)
der Faltstege R von 2,0 mm und im Teilschritt B-B die senkrechten
Rundungen der Mulden (12) mit dem Radius von 50 mm ausgeführt. Jedoch
wird die Formsteifigkeit der Dose durch diese sanfteren Rundungen
etwas reduziert.
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Die
gewählten
Radien für
diese Konservendose nach 7 und 8 sind beispielhaft.
Die optimalen Radien ergeben sich bei anderen Dosen in Abhängigkeit
von der Werkstoffbeschaffenheit (Härte und Fließkurve),
der Wanddicke, der Größe und Tiefe der
Beulstrukturen und der geometrischen Abmessungen der Dose selbst.
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Die
erfindungsgemäßen Formen
können
in unterschiedlicher Weise erzeugt werden:
Beim Pressen und
Ziehen können
diverse Vorrichtungen Anwendung finden. Allen Vorrichtungen ist gemeinsam,
daß eine
Form besteht, welche eine Abbildung der gewünschten Kontur beinhaltet.
Das Material wird in die Form gedrückt und/oder gezogen.
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Das
Pressen und Ziehen beinhalten schrittweise Verfahren.
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Auch
kontinuierliche Verfahren kommen in Betracht. Zu den kontinuierlichen
Formgebungsverfahren gehört
das Walzen. Beim strukturbildenden Walzen sind zwei Walzen als Walzenpaar
vorgesehen, deren korrespondierenden Oberflächen zwar rund sind, aber im übrigen den
korrespondierenden Werkzeugflächen
in einer Presse entsprechen.
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Das
Pressen und Ziehen kann für
die Herstellung eines flächigen
Ausgangsmateriales verwendet werden, das anschließend zu
einer Flasche, Dose oder einem Behälter verarbeitet wird. Das
Pressen und Ziehen kann auch verwendet werden, um in einem Arbeitsschritt bereits
einen Hohlkörper
zu erzeugen, der einen Teil einer Flasche, Dose oder eines Behälters bildet.
Das Walzen erlaubt im Unterschied zum Pressen und Ziehen nur die
Herstellung eines flächigen
Ausgangsmaterials für
Flanschen, Dosen oder Behälter.
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Auf
diesem Wege kann nicht nur Blech sondern auch Kunststoff verarbeitet
werden. Im Vergleich zu Blech besitzt der Kunststoff allerdings
eine sehr große
elastische Verformung, die eine Verarbeitung im kalten Zustand sehr
erschwert. Deshalb erfolgt eine solche Verformung vor allem bei
Kunststoff, häufig
auch bei Blech, im erwärmten
Zustand.
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Der
Kunststoff läßt sich
durch Erwärmung
so erweichen, daß er
durch Blasen in die gewünschte Form
gedrückt
werden kann. Dann spricht man vom Formblasen.
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Kunststoff
eröffnet
auch noch eine andere Verarbeitungsmöglichkeit:
Der Kunststoff
kann im schmelzflüssigen
Zustand in die Form gebracht werden. In der Form passt sich der Kunststoff
unter Druck den vorgegebenen Berührungsflächen leicht
an. Bei anschließender
Kühlung behält der Kunststoff
die erreichte Gestalt.
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Die
Kunststoffschmelze wird in Regel mit einem Extruder erzeugt. Der
Extruder kann auch genutzt werden, um den für das Verfahren erforderlichen
Schmelzedruck zu erzeugen.
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Der
Schmelzedruck kann auch anders erzeugt werden.
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Desgleichen
kann die Schmelze anders erzeugt werden.
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Im übrigen gibt
es Metalle, wie zum Beispiel Aluminium, die sich in gleicher Weise
wie Kunststoff als Schmelze verarbeiten lassen.