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TECHNISCHES
GEBIET
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Die Erfindung betrifft Behälter aus
Aluminiumlegierung zum Spenden flüssiger, cremiger oder pastiger
Produkte unter Druck. Genauer gesagt betrifft sie Behälter, die
eine dichte Trennung zwischen dem zu spendenden Produkt und dem
Treibgas aufweisen, wobei das Produkt entweder durch einen inneren
Beutel oder durch einen Kolben vom Gas getrennt ist. Während der äußere Behälter aus
Aluminiumlegierung ist, kann der Beutel bzw. der Kolben aus beliebigem
Metall oder Kunststoff sein. Durch die Trennung von Produkt und
Treibgas kann insbesondere die durch einen längeren Kontakt mit dem Treibgas
bewirkte Modifizierung der Produkteigenschaften vermieden werden.
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STAND DER
TECHNIK
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Da der obere Teil des Behälters dazu
dient, mit dem Produkt befällt
zu werden, wird das Treibgas einfacher und wirtschaftlicher durch
den Boden eingeblasen. Dazu wird in der Mitte des Bodens ein Loch
ausgespart, das nach Einblasen des Treibgases verstopft wird. Zahlreiche
Stopfen wurden in der Vergangenheit vorgeschlagen, wobei der derzeit gängigste
Stopfen für
Stahlbehälter
im US-Patent 3 522
900 beschrieben wurde. Der Stopfen wird nachfolgend "Nicholson-Einsatz" genannt und für die Beschreibung
dieser älteren
Technik werden die nummerierten Referenzzeichen zu den
1,
5 und
6 von
US
3 522 900 verwendet.
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Stahlbehälter werden aus drei Stücken gefertigt:
einem Dom, einer zylindrischen Wand und einem Boden. Bei dem Boden
handelt es sich um eine dünne
(< 0,3 mm Dicke),
flachgezogene Scheibe, die auf die zylindrische Wand aufgepresst
wird. Das Formen eines Bodens zur Aufnahme eines Einsatzes, wie
zum Beispiel des Nicholson-Einsatzes, ist relativ unproblematisch,
da ein ringförmiger
Napf 12, der außenseitig
durch eine zylindrische Wand und eine weitere zylindrische Wand 13 geringer
Höhe abgegrenzt ist,
welche die Wand der Lochöffnung
bildet, leicht herstellbar ist. Mit einer solchen Napfform kann
aus der besonderen Form des Nicholson-Einsatzes voller Nutzen gezogen werden.
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Der Nicholson-Einsatz besitzt zwei
Ringrillen mit geringfügig
verschiedenen Rillenbodendurchmessern. Der Rillenboden der oberen
Ringrille 17 nahe dem oberen Ende des Einsatzes, über der
sich der obere Wulst 16 befindet, hat einen geringen Radius
als der Rillenboden der unteren Rille 22 nahe der Basis
des Einsatzes, über
der sich der Wulst 21 befindet. Der Einsatz wird zunächst zur
Hälfte
in den Napf eingedrückt.
Er ist dort eventuell mit leichter Spannung durch einfachen Kontakt
der unteren Wand des oberen Wulstes 16 mit dem oberen Ende 18 der
zylindrischen Wand 13 gehalten. In dieser Position ermöglichen
die Längsnuten 28 des
Einsatzes eine Verbindung zwischen dem unteren Teil des Behälters und
außen.
Der Behälter
wird dem Abpacker in dieser Gestalt geliefert, d.h. versehen mit
dem zur Hälfte
in den Boden eingedrückten
Nicholson-Einsatz. Der Abpacker füllt die obere Kammer mit dem zu
spendenden Produkt, bläst
das Treibgas unter Druck in den unteren Raum des Behälters ein – der Gasdurchgang
erfolgt dabei über
die Längsnuten 28 – und drückt dann
den Einsatz ganz ein. Der hermetische Verschluss des Behälters wird
dadurch erzielt, dass die zylindrische Wand 13 über ihre
gesamte Höhe
an den Rillenboden der unteren Ringrille 22 gepresst wird.
Eine leichte Spannung wird dadurch bewirkt, dass für den Durchmesser
des Einsatzes aus Elastomer im Ruhezustand ein geringfügig höherer Wert
als der Wert des Durchmessers der zylindrischen Wand 13 vorgesehen
wird.
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Leider konnte dieser für Stahlbehälter einwandfrei
geeignete Einsatz bei Behältern
aus Aluminiumlegierung nie zur Anwendung kommen.
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Behälter aus Aluminiumlegierung
werden aus einem oder zwei Stücken
gefertigt: der Boden und die zylindrische Wand werden durch Fließpressen
einer Butze gleichzeitig hergestellt, woran sich eventuell ein Ziehen
anschließt.
Der Dom wird entweder aufgesetzt und aufgepresst (zweistückig) oder durch
Verjüngen
des oberen Endes der zylindrischen Wand erzeugt (einstückig). Der
fehlende Quetschwulst im unteren Bereich des Behälters (ein- und zweistückige Behälter) und
im oberen Bereich (einstückige
Behälter)
verleiht den Behältern
aus Aluminiumlegierung ein besonders gefälliges Design.
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Bis zur vorliegenden Erfindung konnte
der Nicholson-Einsatz, der bei Stahlbehältern standardmäßig verwendet
wird, den hermetischen Verschluss des unteren Teils der Behälter aus
Aluminiumlegierung nie gewährleisten.
Vermutlich liegt der wesentliche Grund darin, dass der durch Fließpressen
hergestellte Boden aus Aluminiumlegierung in der Regel dicker ist
als es ein tiefgezogener Boden aus Stahl sein kann, der gewöhnlich eine
Dicke größer 0,5
mm hat. Unter diesen Bedingungen lässt sich eine Napfform, so
wie sie in
US 3 522 900 beschrieben
ist, nicht erzielen. Insbesondere ist es schwierig, die zylindrische
Wand
13 zu erhalten, die dadurch, dass sie im Hinblick
auf einen dichten Verschluss über
ihre gesamte Höhe
in der unteren Ringrille aufgenommen werden muss, eine kaum größere Höhe (≈ 0,7 mm) als
die Dicke des Bodens aufweisen darf.
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Die Hersteller von Zweikammer-Aerosolbehältern aus
Aluminiumlegierung entwickelten daraufhin eine andere Lösung, die
darin besteht, in der Mitte des Bodens ein einfaches Loch auszubilden
und dieses unmittelbar anschließend
mit einer Litze aus Elastomerwerkstoft zu füllen. Nach erfolgter Lieferung
in diesem Zustand an den Abpacker verwendet dieser eine Vorrichtung
zum Einblasen des Druckgases, bei der die Litze vollständig von
einer Hohlnadel durchdrungen wird. Nach Einblasen des Treibgases durch
die Nadel hindurch wird diese Nadel entfernt, wobei man sich auf
die Rückfederung
des Elastomers verlässt,
um das von der Nadel erzeugte Loch wieder zu verschließen. In
der Patentanmeldung FR-A-2 141 282 ist ein Beispiel für eine Litze
angegeben, mit der der Boden eines Aerosolbehälters aus Aluminiumlegierung
dicht verschlossen werden kann.
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Das Einblasen des Treibgases durch
die Elastomerlitze hindurch ist bei Böden aus Stahl, die mit dem
Nicholson-Einsatz versehen sind, schwieriger zu bewerkstelligen.
Die Vorrichtungen zum Einblasen des Treibgases, die eine an die
großtechnischen
Bedingungen der Abpacken angepasste Produktionsleistung einhalten
müssen,
erweisen sich als wesentlich teurer als diejenigen, die für Stahlbehälter verwendet
werden. Außerdem
hat der Einsatz zum Eindrücken
in das Loch einen Durchmesser, der nur geringfügig größer sein kann als der Lochdurchmesser,
und wegen der geringen Spannung und des durch die Nadel erzeugten
Lochs ist die durch die Litze bewirkte Dichtheit nicht vollkommen.
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AUFGABENSTELLUNG
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Die Anmelderin stellte es sich deshalb
zur Aufgabe, diese Mängel
zu beseitigen, indem versucht wurde, die bereits durch die Material-
und Verarbeitungskosten erschwerte wirtschaftliche Position des
Aluminiumbehälters
im Verhältnis
zum Stahlbehälter
zu verbessern und dabei gleichzeitig das vorteilhafte Design beizubehalten,
das mit dem fehlenden Quetschwulst an der Behälterbasis zusammenhängt.
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GEGENSTAND DER ERFINDUNG
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Gegenstand der Erfindung ist ein
Behälter aus
Aluminiumlegierung, der einen neuartigen Boden besonderer Form aufweist.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist das Verfahren zur Ausbildung
eines solchen Behälters.
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Der erfindungsgemäße Behälter weist einen Boden mit
einer konventionellen globalen Form auf, d.h. sphärisch konkav,
die Wand hingegen weist in der Umgebung des zentralen Lochs eine
besondere Form auf. Mit Hilfe der 1 kann
man von außen
in Richtung der üblicherweise
als vertikal betrachteten Achse der zylindrischen Wand den mittleren
Bereich des perforierten Bodens durch folgende geometrische Abschnitte
beschreiben: zunächst
einen konkaven sphärischen
Abschnitt S, ähnlich
dem konventionellen sphärischen
Abschnitt der Böden
von Behältern
aus Aluminiumlegierung, und aufeinanderfolgend drei torische Abschnitte
A, B und C, wobei der erste torische Abschnitt A konvex ist, der
zweite torische Abschnitt B konkav ist, der letzte torische Abschnitt
C konvex ist. Die Abschnitte sind tangential untereinander verbunden,
wobei der Verbindungspunkt zwischen jedem Paar benachbarter Abschnitte ein
Inflexionspunkt ist. Die Tangenten an den Inflexionspunkten, den
Grenzpunkten zwischen den Abschnitten S und A einerseits und B und
C andererseits, sind weitgehend horizontal, vorzugsweise ansteigend
und um weniger als 30° geneigt
für die
erste, absteigend und um weniger als 10° geneigt für die zweite. Die Tangente
am Inflexionspunkt, der Grenze zwischen den Abschnitten A und B,
ist weitgehend parallel zur Achse, vorzugsweise um mehr als 60° in Bezug
auf die Horizontale geneigt.
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Die aus der Aufeinanderfolge der
Abschnitte S, A und B resultierende Form stellt einen Napf zur Aufnahme
der Basis des Nicholson-Einsatzes dar: bei ganz eingedrücktem Einsatz
ist seine Basis in diesem Napf gelagert und dadurch vor heftigen
Seitenbewegungen eines mit dem Boden in Kontakt kommenden Fremdkörpers besser
geschützt.
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Der letzte torische Abschnitt C weist
eine nicht horizontale Kante auf. Der untere Winkel oder Rand dieser
Kante, der sich auf der Außenseite
des Behälters
befindet, bestimmt den kalibrierten Durchmesser der Öffnung.
Letzterer ist um einige Zehntel Millimeter kleiner als der Durchmesser
des Rillenbodens der oberen Rille des Nicholson-Einsatzes und um
ungefähr
einen Millimeter kleiner als der Durchmesser des Rillenbodens der
unteren Ringrille diesen Einsatzes. In beiden Fällen wird dabei eine Einspannung
des Einsatzes aus Elastomer durch den unteren Winkel der Bodenkante
bezweckt, egal, in welcher Eindrückposition
sich der Einsatz befindet, da der Boden um die Öffnung herum keine zylindrische
Wand besitzt.
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Die Neigung der Kante, vorzugsweise
um 30 bis 60°,
weist den Vorteil auf, dass eine gute Halterung des Einsatzes und
eine einwandfreie Dichtheit (in ganz eingedrückter Position) gewährleistet
wird, egal, wie dick der Boden ist, da ihr unterer Rand das Loch
kalibriert und durch Spannung auf den Einsatz wirkt. Durch den Kontakt
der geneigten Kante mit der unteren Wand des eines oder anderen
Wulstes des Einsatzes und das Anpressen ihrer Innenwand an den Boden
der Rillen wird nämlich
ein fester Sitz des Einsatzes auf dem Behälterboden gewährleistet, egal,
ob der Einsatz zur Hälfte
oder ganz eingedrückt ist.
Und durch die Verformung des Einsatzes aus Elastomer unter der Wirkung
des unteren Kantenrandes wird bei ganz eingedrücktem Einsatz ein dichter Sitz
gewährleistet.
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Es liegen mehrere Varianten des Verfahrens zur
Herstellung von Behältern
aus Aluminiumlegierung vor, die alle durch eine erste Phase gekennzeichnet
sind, bei der eine zylindrische Butze fließgepresst wird. Eine optionale
Ziehphase ermöglicht
es vor allem, den Durchmesser und die Dicke der zylindrischen Wand
zu kalibrieren. Im Allgemeinen wird der Boden in dieser Phase, sofern
sie existiert, umgeformt. Danach wird das offene Ende der zylindrischen Wand
beschnitten, der vorgeformte Behälter
wird entfettet und eventuell innen mit einem Anstrich und außen mit
Lack überzogen.
In der letzten Phase, die global "Verjüngung" genannt wird, wird
das Vorprodukt im Allgemeinen auf einen Drehteller gesetzt, wo durch
Pufferung in mehreren Durchgängen
das Formen des Bodens durchgeführt
(nur Fließpressen) bzw.
fertiggestellt wird (Fließpressen/Ziehen),
das beschnittene Ende der zylindrischen Wand verjüngt und
dann der Außenrand
rundgebogen wird, um den Befestigungswulst des Ventilnapfes auszubilden.
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Es ist möglich, an mehreren Stellen
dieser Mehrvarianten-Fertigungskette eine zusätzliche Formgebung einzuleiten,
die drei zeitlich nicht unbedingt aufeinanderfolgende Schritte umfasst
und in einer Ausbildung des Zentrallochs im bereits gewölbten Boden,
einer Vorformung des Napfes und einer Endformung der das Loch abgenzenden
Kante besteht. Beim Vorformungsund Endformungsschritt werden Werkzeugpaare
mit sich ergänzenden
Formen vom Typ Stempel und Matrize verwendet, damit die Verformung
des Napfes und die Neigung der Kante gut und wiederholend durchgeführt wird.
Jeder dieser zusätzlichen
Schritte kann während
des Beschneidens, während
des eventuellen Ziehens oder auch bei den ersten Verjüngungsschritten
eingeleitet werden.
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Am Ende des Ziehvorgangs zum Beispiel liegt
der Boden unter der Einwirkung des Stempels auf einem Rundstift
auf und nimmt eine sphärisch
gewölbte
globale Form an. Unmittelbar danach, wobei er noch zwischen Stempel
und Stift gehalten ist, wird er von einem in dem Rundstift gleitenden
Werkzeug perforiert. Auf dem Drehteller des Verjüngungswerkzeugs ankommend wird
der Boden auf eine Matrize gelegt, die oberhalb der konventionellen
sphärischen Wölbung des
Rundstiftes ein Ansatzstück
aufweist, das dem herzustellenden Napf räumlich entspricht, aber eine
horizontale obere Kante hat. Durch das Zusammendrücken des
mittleren Bodenbereichs entsteht eine erste Ausgangsform für den Napf,
die einen horizontalen Boden aufweist. Während Stempel und Matrize zum
Festlegen der sphärischen
Wand des Bodens und des Außenrands
des Napfes eng beieinander gehalten werden, bewegt sich ein in der Matrizenachse
gleitender beweglicher Finger von größerem Durchmesser als der Durchmesser
des Perforationslochs axial nach oben und stülpt den Innenrand des Napfes
leicht um, wobei gleichzeitig der Durchmesser der perforierten Öffnung kalibriert
wird.
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Die Wahl des Lochdurchmessers hängt von der
Dicke des Bodens und der Neigung ab, die für die das Loch abgrenzende
Kante angestrebt wird: bei einer standardmäßigen Nicholson-Verbindung
beträgt sie
vorzugsweise etwa 45°.
Sie kann natürlich
auch an beliebige andere Verbindungsformen vom Typ Nicholson angepasst
werden, d.h. eine Verbindungsgeometrie mit zwei Ringrillen und mindestens
einer Längsnut
zum Einfüllen
des Treibgases in einer ersten Eindrückposition und zur dichten
Speicherung des Treibgases in einer zweiten Eindrückposition. Wichtig
ist, dass die Neigung der Kante so ist – auch dann, wenn der Boden
eine größere Dicke
hat – dass der
untere Rand der Außenkante
weiterhin leicht am Boden der unteren Ringrille mit einem vorbestimmten Übermaß von ca.
1 mm aufgenommen werden kann. Eine solche Kantengeometrie des Bodens
ist somit für
den Einbau eines Nicholson-Einsatzes
gut geeignet, egal, in welcher Dicke der Boden ausgeführt ist und
selbstverständlich
auch aus welchem Werkstoff der Boden besteht.
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In dem nachfolgenden Beispiel zum
besseren Verständnis
der Erfindung wird eine besondere Geometrie beschrieben, die jedoch
nicht als einschränkend
betrachtet werden darf.
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1 zeigt
oben einen Schnitt durch eine Diametralebene des erfindungsgemäßen mittleren
Bereichs des Behälterbodens
und unten einen Schnitt durch einen standardmäßigen Nicholson-Einsatz.
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2 zeigt
im Schnitt durch eine Diametralebene den zur Hälfte in den Boden eingedrückten Einsatz
in der Position, die er beim Einblasen des Treibgases einnimmt.
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3 zeigt
im Schnitt durch eine Diametralebene den vollständig eingedrückten Einsatz,
der den mit dem Treibgas gefüllten
unteren Teil des Behälters
dicht verschließt.
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BEISPIEL (Fig. 1, 2 und
3)
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In 1 ist
der Nicholson-Einsatz 10 kurz vor seinem Eindrücken in
den Boden 1 zu erkennen, der hier nur durch seinen mittleren
Bereich 2 dargestellt ist, in dem im Bereich der Achse
eine Öffnung 3 ausgebildet
ist. Er weist zwei Ringrillen 17 und 22 auf, deren
Rillenbodendurchmesser geringfügig
verschieden sind. Der Rillenboden der oberen Ringrille 17 nahe
dem oberen Ende des Einsatzes, über
der sich der obere Wulst 16 befindet, hat einen Radius von ≈ 2,7 mm, der
kleiner ist als der Radius des Rillenbodens der unteren Ringrille 22 nahe
der Basis 27 des Einsatzes, über der sich der Wulst 21 befindet, und
der ca. 3,05 mm beträgt.
Die untere Wand 19 der oberen Ringrille 17 ist
kegelstumpfförmig
und um ca. 60° geneigt.
Die untere Ringrille 22 hat eine Höhe von ≈ 0,7 mm. Die Basis 27 des
Einsatzes hat einen Durchmesser von ca. 8,7 mm. Der obere Wulst 16 hat einen
Durchmesser von ca. 6,1 mm, und der untere Wulst 21 hat
einen Durchmesser von 6,6 mm.
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Der mittlere Bereich 2 des
perforierten Bodens weist folgende Geometrieabschnitte auf: zunächst einen
sphärischen
Abschnitt S, ähnlich
dem konventionellen sphärischen
Abschnitt der Böden von
Behältern
aus Aluminiumlegierung, mit nach unten gerichteter Konkavität, und dann
eine Aufeinanderfolge von drei torischen Abschnitten A, B und C. Der
torische Abschnitt A, der eine nach oben gerichtete Konkavität aufweist,
hat einen kreissektorförmigen
Querschnitt von 0,5 mm Dicke, dessen Mittelpunkt 6,705 mm von der
Achse entfernt ist und dessen Außenradius RA gleich 2 mm ist.
Der torische Abschnitt B, der eine nach unten gerichtete Konkavität aufweist,
hat einen kreissektorförmigen
Querschnitt von 0,5 mm Dicke, dessen Mittelpunkt 3,93 mm von der
Achse entfernt ist und dessen Außenradius RB gleich 1 mm ist.
Der torische Abschnitt C, der eine nach oben gerichtete Konkavität aufweist,
hat einen kreissektorförmigen
Querschnitt von 0,5 mm Dicke, dessen Mittelpunkt 3,725 mm von der
Achse entfernt ist und dessen Außenradius RC gleich 1,3 mm
ist.
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Die Tangente am Inflexionspunkt L,
dem Grenzpunkt zwischen den Abschnitten S und A, bildet mit der
Horizontalen einen Winkel von 14°.
Die Tangente am Inflexionspunkt M, dem Grenzpunkt zwischen den Abschnitten
A und B, bildet mit der Achse einen Winkel von 66°. Die Tangente
am Inflexionspunkt N, dem Grenzpunkt zwischen den Abschnitten B
und C, ist absteigend und bildet mit der Horizontalen einen Winkel
von 4°.
Die Kante 4 ist um 46° in
Bezug auf die Horizontale geneigt und ihr unterer Rand 5 kalibriert
die Öffnung
auf 5,1 mm Durchmesser.
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In 2 ist
der zur Hälfte
in den Napf 12 eingedrückte
Nicholson-Einsatz 10 gezeigt. Er ist durch ein leichtes Übermaß (0,3 mm)
des unteren Randes 5 der Kante 4 auf dem Rillenboden
der oberen Ringrille 17 gehalten. Die um etwa 60° geneigte
untere Wand 19 der oberen Ringrille 17 ermöglicht es, den
Kontakt mit dem torischen Abschnitt C des Bodens auf einer relativ
großen
Strecke beizubehalten. Es ist gut zu erkennen, dass die Dicke des
Bodens keinen Einfluss auf die Qualität des Kontaktes hat, wenn der
metallische Boden deutlich starrer ausgebildet ist als der Einsatz
aus Elastomer.
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In 3 ist
der ganz in den Napf 12 eingedrückte Nicholson-Einsatz 10 gezeigt.
Er ist durch ein Übermaß des unteren
Randes 5 der Kante 4 von etwa 1 mm auf dem Rillenboden
der unteren Ringrille 22 gehalten. In der Nähe der Einspannzone
ist der Einsatz geringfügig
verformt. Die Kante hat eine geringe Neigung, derart, dass die Festlegung
nur im Bereich des unteren Randes erfolgt. Die Außenwand des
Bodens am Inflexionspunkt N, dem Grenzpunkt zwischen den torischen
Bereichen B und C, ist fast horizontal, wodurch die Basis 27 des
Nicholson-Einsatzes 10 nicht übermäßig verformt wird. Auch hier ist
gut zu erkennen, dass die Dicke des Bodens keinen Einfluss auf die
Qualität
des Kontaktes hat, wenn der metallische Boden deutlich starrer ausgebildet
ist als der Einsatz aus Elastomer.
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Zur Herstellung des beispielhaften
Bodens wurde der Napf so vorgeformt, dass er weiterhin einen horizontalen
Boden aufweist, und anschließend wurde
ein Loch von 4,5 mm Durchmesser ausgebildet. Bei der Endformung
des Napfes bleiben der torische Abschnitt A und ein großer Teil
des sphärischen Abschnitts
B zwischen Matrize und Stempel eingeklemmt, während ein axialer Finger von
5,1 mm Durchmesser nach oben fährt
und dabei den anfänglich
horizontalen Boden des Napfes umstülpt, der sich gegen einen örtlich konvexen
Teil der insgesamt konkaven Wand des Stempels drückt und auf diese Weise den
torischen Abschnitt C bildet.
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Die Dicke des Bodens ist zwar im
Hinblick auf die Halterung des Nicholson-Einsatzes und die Dichtheit seines Verschlusses
unerheblich, sie ist jedoch nicht unerheblich, was die Formungsbedingungen
und die Festlegung des anfänglichen
Perforationsdurchmessers betrifft.
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VORTEILE DES
ERFINDUNGSGEMÄSSEN
VERFAHRENS
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Möglichkeit,
Behälterböden aus
Aluminiumlegierung unterschiedlicher Dicke mit einem Standard-Einsatz
zu verwenden, der zur Bestückung
von Aerosolbehältern
aus Stahl bereits weit verbreitet ist.