DE69825930T2

DE69825930T2 - Verfahren zum Herstellen von Metalldosen und damit hergestellte Metalldosen

Info

Publication number: DE69825930T2
Application number: DE69825930T
Authority: DE
Inventors: John Selwyn Williams; Brian John Bastable; Joseph Canton Bulso
Original assignee: Corus UK Ltd; Redicon Corp
Current assignee: Corus UK Ltd; Redicon Corp
Priority date: 1997-04-04
Filing date: 1998-04-02
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2018-04-03
Also published as: DE69825930D1; GB0029668D0; EP0868951A2; GB2355679A; GB9706873D0; GB2323803A; EP0868951B1; GB2355679B; ES2227772T3; EP0868951A3; GB2323803B; ATE275013T1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Metalldosen und auf Metalldosen, die durch dieses Verfahren hergestellt sind.
Metalldosen, beispielsweise Getränkedosen, werden üblicherweise aus zwei Stücken durch ein Verfahren hergestellt, bei dem die Basis und die Wand der Dose aus einem einzigen Zuschnitt eines Ausgangsmaterials geformt werden. Ein derartiges Verfahren ist als Abstrecktiefzieh-Verfahren (DWI-Verfahren) bekannt. Bei diesem Verfahren ist das Ausgangsmaterial ein Zinnblech oder ein Aluminiumblech, und der Zuschnitt wird geschnitten und zu einem Napf gezogen, der dann in einem Dosenmantel durch eine genaue Verkleinerung der Wandstärke zu einer Dose verformt wird. Diese Verkleinerung der Wandstärke wird dadurch erreicht, dass die Dose durch eine Reihe von Kreisringen unter Benutzung eines Stempels gedrückt wird, wobei der Spalt zwischen jedem Ring und dem Stempel graduell abnimmt, wodurch das Metall einem "Abstrecktiefziehen" unterworfen wird. Dann wird die Dose gereinigt und innen und außen mit einem organischen Lack überzogen, um einen Schutz gegen Korrosion und Dekoration der äußeren Dosenoberflächen zu schaffen. Das Abstrecktiefzieh-Verfahren (DWI-Verfahren) leidet an zwei Hauptnachteilen. Erstens ist die erforderliche Anlage kostspielig und normalerweise nur dann gerechtfertigt, wenn eine große Zahl von Dosen erzeugt werden muss. Zweitens ist das Verfahren Umwelt-unfreundlich, weil große Wassermengen benutzt werden müssen, um die Dosen abzukühlen und zu reinigen und Lösungsmittel und andere organische Bestandteile während des Lacküberzugs-Prozesses zu emittieren. Die WO-A-8302577 beschreibt ein typisches DWI-Verfahren.
Ein anderes bekanntes Verfahren ist das DRD-Verfahren (draw-redraw process). Bei diesem Verfahren wird der ursprüngliche Napf in aufeinanderfolgenden Stufen wieder gezogen, um eine Dose mit dem richtigen Durchmesser und der richtigen Höhe zu erzeugen. Das Ausgangsmaterial ist üblicherweise ein überzogener Elektro-Chrom-Stahl (ECCS), der vorher mit einem Lack überzogen wurde. Dieses DRD-Verfahren besitzt Vorteile in Bezug auf Einfachheit und Umweltfreundlichkeit und einen geringeren Kapitalbedarf. Es wird jedoch mehr Metall für jede erzeugte Dose benötigt und der vorher aufgetragene Lacküberzug kann nicht als sicherer Korrosionsschutz angesehen werden, nachdem die Dose fertig hergestellt ist.
Die vorliegende Erfindung bezweckt die Linderung zahlreicher Probleme, die mit herkömmlichen Dosenproduktionsverfahren verknüpft sind und von denen einige oben erläutert wurden. Insbesondere befasst sich die Erfindung mit den Schwierigkeiten, die der Dosenformgebung, insbesondere der Dosenkuppelformung, zugeordnet sind. Die Kuppel einer Dose muss hohen Innendrücken widerstehen können, um industriellen Normen bei Stählen geringer Dünne widerstehen zu können (im typischen Fall mit einer Dicke zwischen 0,15 bis 0,16 mm). Die herkömmlichen DWI-Dosen sind innen mit einem Sprühüberzug aus "Lack" überzogen, der das gesamte freiliegende Metall abdecken muss. Dies ist schwierig bei Oberflächen zu erreichen, die dicht an der Vertikalen und an scharfen Radien liegen. Eine DWI-Dosenkuppel kann erneut geformt werden, nachdem der Sprühvorgang vollendet ist, um die Geometrie der Dose zu ändern. Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die erforderlichen Geometrien ohne erneutes Nachformieren zu erzeugen.
Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem Anspruch 1 und einer Metalldose entsprechend dem Anspruch 10.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft diese demgemäß ein Verfahren zum Herstellen von Metalldosen aus einem Ausgangsmaterial, bestehend aus einem kohlenstoffarmen Stahlband oder einem kohlenstoffarmen Stahlblech, die auf beiden Seiten mit einem kohärenten laminierten Überzug aus einem thermoplastischen Polymermaterial überzogen sind, wobei das Verfahren eine oder mehrere Nachziehstufen aufweist, in denen die Seitenwände in ihrer Dicke durch Strecken verringert werden und in der Dosenbasis eine nach innen vorstehende Kuppel erzeugt wird, die durch aufrecht stehende Wände begrenzt ist, die einen Winkel zwischen 0° und 5° gegenüber der Vertikalen einschließen.
Das Ausgangsmaterial besteht zweckmäßigerweise aus einem kohlenstoffarmen Stahlband oder einem kohlenstoffarmen Stahlblech mit einer Dicke von weniger als 0,25 mm, überzogen auf beiden Oberflächen mit kohärenten beschichteten Filmen aus einem thermoplastischen Polymer, wobei der Laminatüberzug eine ausreichende Formbarkeit besitzt, um ohne Integrationsverlust Dickenverminderungen bis zu 40% widerstehen zu können.
Das Polymerlaminat kann aus Filmen aus Polyethylenterephthalat und Polypropylen bestehen. Es können jedoch auch andere Filmmaterialien benutzt werden. Die Filme können auf der Oberfläche des Ausgangsmaterials unter Benutzung von Wärme und Druck aufgebracht werden. Die Filme können extrudiert werden, wobei ein erster Kleberfilm von etwa 2 μm Dicke zunächst mit dem Ausgangsmaterial und dann mit einem Polymerfilmüberzug in Berührung gebracht wird, der nach dem Überziehen erhitzt und abgekühlt wird, um eine amorphe Struktur in dem Polyethylenterephthalat und eine minimale kristalline Struktur in dem Polypropylen zu erzeugen.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren eine anfängliche Kuppelbildung, gefolgt durch erste und zweite Strecknachziehoperationen. Zusätzliche Nachziehstufen können vorgesehen werden. Die Basis einer Dose kann so gestaltet werden, dass sie eine nach innen vorstehende Kuppel aufweist, und zwar kann diese Formgebung während der zweiten Streckung (oder der endgültigen Streckung) beim Nachziehen oder unmittelbar darauf erfolgen. Die Streckung wird vorzugsweise erreicht durch beschränkte (aber nicht verhinderte) Bewegung des Kuppelausgangsmaterials zwischen gegenüberliegenden Flächen einer Druckhülse und einer Form. Eine Oberfläche der Form, auf der das Kuppelausgangsmaterial ruht, kann eine Ausnehmung aufweisen, und ein kurvenförmiger ringförmiger Vorsprung kann sich nach innen von der oberen Oberfläche der Form erstrecken, um einen Streckpunkt für das Kuppelausgangsmaterial zu schaffen.
Vorzugsweise wird durch das Verfahren eine Metalldose geschaffen, deren Wanddicke in einer Größenordnung liegt, die um 5 bis 40% geringer ist als die Dicke der Basis.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung betrifft diese ein Verfahren zur Erzeugung einer Metalldose aus einem Ausgangsmaterial, das aus einem kohlenstoffarmen Stahlband oder einem kohlenstoffarmen Blech besteht, die auf beiden Seiten mit einem kohärenten Laminatüberzug aus einem thermoplastischen Polymermaterial überzogen sind, wobei das Verfahren eine oder mehrere Nachziehstufen umfasst, in denen die Seitenwände in ihrer Dicke durch Abstrecktiefziehen vermindert werden.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das Ausgangsmaterial für die Dosen, die gemäß der Erfindung erzeugt werden, aus einem doppelt reduzierten, hochfesten, kohlenstoffarmen Stahl hoher Streckbarkeit mit einer Streckgrenze im Bereich zwischen 480 bis 690 M/mm² bestehen.
Der maximale Kohlenstoffgehalt für den Stahl beträgt im typischen Fall 0,05 Gewichtsprozent. Eine typische Zusammensetzung für diesen Stahl besteht in Gewichtsprozent aus den folgenden Bestandteilen: C: 0,01-0,04; S: 0,02 maximal; P: 0,015 maximal; Mn: 0,15-0,30; Ni: 0,04 maximal; Cu: 0,06 maximal; Sn: 0,02 maximal; As: 0,01 maximal; Mo: 0,01 maximal; Cr: 0,06 maximal; Al: 0,02-0,09 und N₂ : 0,003 maximal. Der Stahl wird durch Kaltwalzen oder Warmwalzen auf eine Dicke gebracht, die im typischen Fall zwischen 0,12 mm und 0,25 mm liegt, und die Verarbeitung erfolgt durch bekannte Heizzyklen und ein kontinuierliches Glühen.
Der Stahl besitzt eine minimale Zipfelbildungsqualität und eine Festigkeit, die im typischen Fall in dem Bereich zwischen 500 und 600 N/mm² liegt.
Im typischen Fall ist der Stahl ein hochfester streckbarer Stahl, der unter der Bezeichnung "TENFORM DR" (eingetragene Marke) verfügbar ist.
Die aus dem Ausgangsmaterial erzeugten Bänder können dann einem elektrolytischen Überzugsverfahren unterworfen werden. Bei diesem Verfahren wird das Stahlband gereinigt und gebeizt, bevor das Stahlband durch ein Plattierungsbad geführt wird, in dem es mit einer dünnen Schicht aus Chrommetall (im typischen Fall 0,01 μm Dicke) überzogen wird, gefolgt von einem Überzug aus einer dünnen Chromoxidschicht (wiederum im typischen Fall 0,01 μm dick). Stattdessen können Zinnbleche, Schwarzbleche oder andere geeignete Substrate benutzt werden.
Das Band kann mit einem Polymermaterial überzogen werden, im typischen Fall mit einem Material, welches unter der Bezeichnung "Ferrolite" (eingetragene Marke) verfügbar ist. Bei diesem Laminierungsverfahren wird ein Film aus PET (Polyethylenterephthalat) und/oder PP (Polypropylen) und/oder Nylon entweder getrennt oder gleichzeitig auf die Oberfläche des überzogenen Stahlbandes oder Stahlbleches unter Benutzung von Wärme und Druck aufgebracht. Die Filme werden zusammen derart extrudiert, dass eine Verbindungsschicht aus ungefähr 2 μm zuerst Berührung mit dem Stahl hat und dann eine feste Verbindung bildet. Nachdem die Verbindung mit dem Substrat hergestellt ist, werden die Polymerfilme geschmolzen und über der Rekristallisationstemperatur einige Sekunden gehalten, bevor sie schnell unter ihre Erweichungstemperatur abgeschreckt werden. Dies erzeugt eine amorphe Struktur im PET und eine minimale kristalline Struktur im PP.
Bei diesem Laminierungsverfahren ergeben sich keine Lösungsmittelemissionen.
Im typischen Fall liegt die Dicke des äußeren Polymerüberzuges in der Größenordnung von 25 μm Dicke, und die innere Dicke beträgt 15 bis 30 μm.
Es können Laminierungsverfahren und Polymerfilme benutzt werden, die einen gegenüber dem oben erwähnten Aufbau unterschiedlichen Aufbau haben.
Das Band wird entweder als ebenes Blech oder in aufgespulter Form einem Schneidgerät entweder mit einer vorher gewachsten Bedingung zugeführt oder es wird durch ein Wachsgerät am Einlauf des Schneidsystems geführt. Das Wachs kann essbar sein und auf Petroleum basieren mit Filmgewichten im Bereich zwischen 5 bis 20 mg/ft². Während dieses Schrittes kann das Laminat auf einen Bereich zwischen 70° und 120°C aufgeheizt werden. Stattdessen kann das Heizverfahren nach dem Schneiden oder nach der ersten Nachziehstufe durchgeführt werden. Durch ein Vorheizen werden Spannungen und Alterungseffekte im Laminat reduziert, so dass die nachfolgende Formgebung leichter durchgeführt werden kann. Es werden Scheiben aus dem Materialband oder dem Blech ausgestanzt. Der Napf wird in einem Arbeitsgang tiefgezogen, wobei eine Scheibe mit einem Durchmesser benutzt wird, der im typischen Fall in dem Bereich zwischen 150 mm und 200 mm liegt. Dieser Durchmesser ist (normgemäß) von der erforderlichen Dosengröße und der Art der Anwendung abhängig. Das Tiefziehverhältnis (d.h. das Verhältnis des Durchmessers der Scheibe zum Durchmesser des Napfes) liegt im typischen Fall in dem Bereich zwischen 1,0 bis 2,0:1. Die Geometrie der Werkzeuge ist in Kombination mit einer richtigen Zuschnitthaltebelastung so ausgebildet, dass eine Verminderung der Wanddicke bei der Formgebung der Kuppel bis zu 10% beträgt. Dies wird erreicht in Verbindung mit einem Radiusbereich, der im typischen Fall zwischen 0,5 mm und 1,5 mm und einer parallelen Steglänge von bis zu 5 mm liegt. Die Zuschnitthaltebelastung wird durch Benutzung eines verstärkten Luftdrucks bis zu 200 psi erreicht, der in mehrere (im typischen Fall drei) innere Multiplikationskolben eingeführt wird. Der Stanz-Formspalt ist wichtig und wird durch die Bemessung des Ausgangsmaterials und der Überzüge und Spalte so berechnet, dass er 1,20 bis 1,50 mal der Gesamtlaminatdicke des Ausgangsmaterials beträgt. Der Stempel-Abrundungsradius wird sorgfältig so eingestellt, dass die erforderliche Streckung erfolgt, während die darauf folgende Wandmarkierung vermindert wird, die zu einem Bruch des Laminats führen könnte. Stempel-Abrundungsradien im Bereich zwischen 2,5 mm und 7 mm sind im Allgemeinen erforderlich.
Der geschnittene Napf durchläuft eine Strecknachzugspresse, die Werkzeuge sowohl für die erste als auch die zweite Nachziehoperation enthält. Der Durchmesser des Stempels wird bei dem ersten Nachziehen vermindert mit einem Nachziehverhältnis im Bereich zwischen 1,0 bis 1,7:1 und mit einer Verminderung der Wanddicke bis zu 25% der anfänglichen Napfwanddicke. Die Wanddickenverminderung wird durch ein Abstreckziehen erreicht. Die Wanddickenverminderung wird durch das Ziehverhältnis ausgeglichen und durch Benutzung des Druckmantels und der Geometrien in Kombination mit der gesteuerten Zuschnitthaltebelastung erreicht. Die Werkzeuggeometrien fallen im typischen Fall in die folgenden Bereiche:

– Druckmanteldurchmesser bis zu 0,66 mm kleiner als der Innendurchmesser des geschnittenen Napfes;
– Druckmantelradius bis zu 2,0 mm;
– Formradius bis zu 2 mm bei einer parallelen Steglänge bis zu 5 mm.

Die Zuschnitthaltebelastung wird durch Benutzung eines Drucks bis zu 100 psi erreicht, der in einen Stapel von zwei oder mehreren inneren Multiplikationskolben eingeführt wird.
Die Anordnung des Napfes in der Form wird über eine Verschachtelungsausnehmung bewirkt, deren Durchmesser dem geschnittenen Napf angepasst ist, was eine Dicke des tatsächlichen Laminats im Gebrauch zulässt. Der Radius des Verschachtelungsdurchmessers in der Form auf der Basis der Verschachtelung liegt in dem Bereich zwischen 0,10 und 2,00 mm.
Der Stempel besitzt eine Verjüngung, die im typischen Fall zwischen 40 mm und 60 mm vom Stempelende liegt, mit einer Vergrößerung des Stempeldurchmessers um 0,25 mm auf 0,50 mm beim Abziehen. Der Spalt zwischen dem größten Stempeldurchmesser und der Form (pro Seite) wird im Allgemeinen zwischen 1,20 und 1,50 mal der ursprünglichen Laminatdicke eingestellt. Der Stempelradius ist wichtig zur Erreichung der erforderlichen Streckung, wobei eine folgende Dosenwandmarkierung vermindert wird, die zu einem Laminatbruch führen könnte. Der Stempelabrundungsradius liegt in dem Bereich zwischen 1 mm und 3 mm im typischen Fall.
Es wird eine Spaltkontrolle oder ein arretierbares Ziehen in der ersten Nachziehstufe benutzt, um erhabene Walznarben oder die Erzeugung von Laminatfältelungen ("Whiskers") zu eliminieren. Wenn eine Spaltkontrolle benutzt wird, dann werden im Allgemeinen Spalte zwischen 0,10 und 0,15 mm zwischen dem Druckmantel und der Gesenkfläche benutzt, und zwar in Abhängigkeit von dem benutzten Ausgangsmaterial.
Es kann ein kleines Umkehrziehen in dem Basisnapf benutzt werden, je nach der Kuppel, die bei der fertigen Dose erforderlich ist. Kuppeln für Kohlensäuregetränke können einen Durchmesser von 206 (2 6/16 Zoll), von 204 oder 202 aufweisen. Der Zweck des Umkehrziehens besteht darin, die Tendenz der Erzeugung von Fältelungen in der fertigen Dose zu eliminieren und die Dosenbasis starrer zu gestalten und die Kreisform der Dose aufrecht zu erhalten und die Tendenz zur Schaffung ovaler Dosen zu verhindern.
Der erste Nachziehnapf wird zurück in die Nachzugsstreckpresse in einer Station zurückgeführt, die das zweite Nachziehwerkzeug enthält. Der Napfdurchmesser wird bei dieser Bearbeitung auf den endgültigen Dosendurchmesser vermindert. Dieser Durchmesser kann 211 für normale Getränkedosen oder 209 für geformte Getränkedosen sein. Das Ziehverhältnis, das dabei benutzt wird, liegt allgemein in einem Bereich zwischen 1,0 bis 1,7:1 mit einer Wanddickenverminderung von bis zu 25% der ursprünglichen Napfwanddicke. Die Wanddickenverminderung wird wiederum erreicht durch eine Strecktechnik, die eine Kombination zwischen Druckmantel und Formgeometrien mit gesteuerten Zuschnitthaltebelastungen benutzt. Die richtige Wahl des Durchmesser-Verminderungsverhältnisses zur Erreichung der fertigen Dose kann auch wichtig sein, um einen erfolgreichen Abstreckziehvorgang zu erreichen. Die folgenden geometrischen Abmessungen werden im typischen Fall in den folgenden Bereichen benutzt:

– Druckmanteldurchmesser bis zu 0,30 mm kleiner als der Innendurchmesser des ersten Nachziehnapfes;
– Druckmantelradius bis zu 2,0 mm;
– Formradius bis zu 2 mm bei einer parallelen Steglänge bis zu 5 mm.

Die Haltebelastung für den Zuschnitt wird unter Benutzung eines Luftdrucks bis zu 100 psi erreicht, der in den Stapel von zwei oder mehreren inneren Multiplikationskolben eingeführt wird.
Die Anordnung des Napfes in der Form mittels einer Verschachtelungsausnehmung erfolgt mit einem Durchmesser, der dem ersten Nachziehnapf angepasst ist, wodurch die Dicke des tatsächlichen Laminats im Gebrauch ermöglicht wird. Der Radius des Verschachtelungsdurchmessers mit der Form an der Basis der Verschachtelung liegt im typischen Fall in einem Bereich zwischen 0,10 bis 2,0 mm.
Der Stempel hat eine Verjüngung zwischen 15 mm und 30 mm von der Spitze des zweiten Nachziehnapfes im Bereich von 0,10 mm bis 0,25 mm Durchmesseranstieg, um ein Abziehen der Dose vom Stempel zu ermöglichen. Der Spalt zwischen dem Stempel und der Form (pro Seite) am breitesten Punkt wird auf einen Wert zwischen 1,0 und 1,20 mal der Ausgangslaminatdicke eingestellt.
Die Spaltkontrolle oder der arretierbare Tiefziehvorgang wird wiederum als zweite Nachziehstufe durchgeführt, um erhabene Walznarben oder die Erzeugung von Fältelungen ("Whiskers") bei dem Napf zu vermeiden. Wenn eine Spaltkontrolle benutzt wird, dann ergeben sich Spalte zwischen 0,10 mm und 0,15 mm zwischen dem Druckmantel und der Seite in Abhängigkeit von dem benutzten Laminatausgangsmaterial. Die gesamte Napfwandverdünnung, die dabei erfolgt, beträgt 5 bis 40% in Abhängigkeit von der Endbenutzung der Dose.
In der Dose wird bei diesem Schritt eine Kuppel durch Benutzung einer Kuppelbildungsstation eingeführt, wobei ein Formring als Zuschnittshalter dient. Die Haltebelastung des Zuschnitts auf dem Formring wird durch Benutzung eines verstärkten Luftdrucks bis zu 500 psi erreicht, der auf eine Reihe (im typischen Fall drei) von inneren gestapelten Kolben gerichtet wird. Die Positionen des Formringes relativ zum Kuppelformwerkzeug sind insofern wichtig, als der Ring das Laminat an der Kuppelform des Stempels halten muss, bevor die Kuppelform beginnt, die Kuppel auszuziehen. Für Dosen, die für Kohlensäure-haltige Getränke bestimmt sind, werden Kuppeln mit Abmessungen von 202, 204 und 206 benutzt.
Das Kuppelprofil muss in der Lage sein, einem Kuppelumkehrdruck von 90 bis 100 psi zu widerstehen, in Abhängigkeit von dem Doseninhalt (pasteurisiert oder nicht pasteurisiert). Die Kuppel, die Dosenwände und der Hals müssen in der Lage sein, einer Axialbelastung von 1,0 kN zu widerstehen. Dies kann erreicht werden durch die Kombination von hochfestem, formbarem DR-Stahl und der Geometrie der Konstruktion. Es kann auch durch die Polymer-Laminatüberzüge erreicht werden, die den Formverfahren widerstehen können und dann immer noch einen Schutz an den scharfen Radien und Winkeln gewährleisten. Normale durch Abstrecktiefziehverfahren (DWI-Verfahren) erzeugte Dosen sind innen mit einem Sprühüberzug aus "Lack" überzogen, der das gesamte freiliegende Metall bedecken muss, aber dies ist schwierig auf Oberflächen zu erreichen, die in der Nähe der Vertikalen und an den scharfen Kanten liegen. Eine DWI-Dosenkuppel kann "reformiert" werden, nachdem der Sprühvorgang erfolgte, um die Geometrie zu ändern, aber bei dieser Dose kann die Geometrie, wie sie unten beschrieben wird, ohne Reformierung erreicht werden.
Die notwendigen Merkmale sind die Tiefe der Kuppel, die vorzugsweise > 11 mm ist, und außerdem der Kugelradius der Kuppel, der zweckmäßigerweise zwischen 48 und 54 mm liegt, sowie der Radius an der Stelle, wo die innere vorstehende Wand auf die sphärische Kuppel trifft, und dieser Radius beträgt vorzugsweise weniger als 0,6 mm und ferner ist es am wichtigsten, den Winkel zwischen den vorstehenden Wänden (die die nach innen vorstehende Kuppel begrenzen) zwischen 0 und 5° gegenüber der Vertikalen auszubilden.
Nach dem abschließenden Nachstreckvorgang kann die Dose getrimmt und durch einen Ofen geführt werden. Der Ofen wird im typischen Fall auf einer Temperatur von 200 bis 230°C gehalten, und die Durchtrittszeit liegt typischerweise zwischen 1 und 3 Minuten. Dies ermöglicht eine Entfernung des Petroleum-Wachs-Schmiermittels auf einen solchen Pegel, dass die Ablage der Druckfarben nicht gestört wird, die zur Dekoration der Dosen benutzt werden. Außerdem wird die Oberflächenenergie des PET-Überzuges auf wenigstens 38 Dyn/cm angehoben, wodurch die Benetzbarkeit der PET-Oberfläche gegenüber den Druckfarben verbessert wird. Der Temperaturzyklus in dem Ofen wird so gewählt, dass die Rekristallisation des PET durch den schnellen Temperaturanstieg und die Abkühlzeiten vermindert wird.
Der Druck wird gegenwärtig unter Benutzung herkömmlicher Maschinen durchgeführt, die thermisch aushärtende Farben auf die äußere Oberfläche der Dose auftragen. Wiederum wird, wie oben, die Rekristallisation des PET vermindert. Stattdessen kann eine Schrumpfhülse bei niedrigeren Temperaturen aufgebracht werden.
Die Dosenfüller suchen gegenwärtig nach Verfahren einer Produktdifferenzierung in verschiedener Form. Bis heute wurde dies hauptsächlich erreicht durch Benutzung verschiedener Dekorationen und Dekorationstechniken. Ein weiteres Verfahren der Produktdifferenzierung wurde durch Benutzung in bestimmter Weise geformter Dosen versucht. Die Formgestaltung von aus drei Teilen bestehenden Dosen, insbesondere auf dem Verpackungsmarkt, wurde jahrelang benutzt, aber die Formgestaltung von zweiteiligen Dosen ist bisher unbekannt. Der Schlüssel zur Lösung einer Formgestaltung von Dosen ist die Formbarkeit, die der Dosenwand innewohnt, welche der Formgestaltungsmaschine zugeführt wird. Es gibt verschiedene Verfahren, um die gewünschte Form zu erhalten, aber sie beruhen alle auf einer Maßnahme der Formbarkeit, die gegeben ist durch eine Kombination der Dosenwanddicke und der Streckbarkeit. Die dreiteiligen Dosen haben Dosenwände mit mechanischen Eigenschaften und einer Dicke, die im Wesentlichen die gleiche ist wie bei dem ursprünglichen Blech. Die zweiteiligen Dosen besitzen Wände, die dünner sind als das Ausgangsmaterial und die infolge von Beanspruchungshärteeffekten stärker und weniger dehnbar sind als das Ausgangsmaterial.
Unterschiedliche Verfahren der Dosenformgebung erfordern unterschiedliche Pegel der Formbarkeit, und demgemäß bestimmt das Ausmaß der Formbarkeit, das in der Dosenwand belassen ist, das Formgebungsverfahren, das sich voraussichtlich als erfolgreich erweist.
Bei Dosen mit einem Durchmesser von 211 sollte der maximale Außendurchmesser der Dose an jeder Stelle der Dose nach der Formgebung bei 211 verbleiben, aber bei gewissen Anwendungen wäre ein vergrößerter Durchmesser geeignet. Der Grund hierfür besteht darin, dass dies irgendwelche Unterbrechungen bei bestehenden Auffüllanlagen vermindern würde, da bei jeder Dosenherstellungsentwicklung die Kosten bei weitem den größten Antrieb darstellen. Es besteht daher ein Bedürfnis zur Herstellung von Dosen mit einem kleineren Durchmesser, im typischen Fall von 209, und diese auf verschiedene Weise auf 211 zu expandieren. Dies erfordert ein diametrales Expansionerfordernis von ~ 5,0%. Die diametrale Expansion, die durch eine einzige Ziehformgebung allein bei DWI-Stahldosen möglich wird, kann von Leichtgewichtsdosen bis zu Schwergewichtsdosen variieren, was mit 0,7% bis 1,2% gemessen wurde. Die Abmessungen für gemäß der Erfindung hergestellte Dosen beträgt 1,6% und das für DWI-Dosen beträgt 3,6%. Diese Ergebnisse zeigen an, dass dann, wenn die zu formende Dose auf die gegenwärtig erwarteten Werte geformt wird, die Deformation für sämtliche Dosen nicht durch Strecken allein durchgeführt werden kann. Diese Ergebnisse zeigen jedoch variable Pegel der Formbarkeit an, und wenn die Aluminium-DWI-Dosen eine erfolgreiche Formgestaltung haben, ist ein Anstieg bis zu 30% der Wanddicke erforderlich, um dies zu erreichen. Nach der Formgebung muss die Dose immer noch die mechanischen Eigenschaften aufweisen, die für die Dose erforderlich sind, insbesondere die axialen Quetschbeanspruchungen. Da Aluminiumdosen keine Streckhärteeigenschaften aufweisen, kann daher die axiale Quetschfestigkeit geformter Aluminiumdosen sehr niedrig sein.
Obgleich Stahl-DWI-Dosen erfolgreich geformt wurden, kann die Verarbeitungsroute eine Zwischenbearbeitung und/oder eine verbesserte Formtechnik erfordern, was wiederum die Herstellungskosten erhöht.
Erfindungsgemäße Dosen wurden jedoch erfolgreich geformt und mit diametralen Ausdehnungen versehen, die mit 10% aufgezeichnet wurden, wobei noch sehr viel höhere Pegel erwartet werden. Dies ist möglich in Verbindung mit der erhöhten Formbarkeit der Dosenwände, die aus dem speziellen Stahl und der Produktionsroute herrühren, die benutzt werden und so ausgebildet sind, dass die Streckbarkeit erhöht wird und die Festigkeit dabei nur geringfügig verringert wird. Diese Eigenschaften, gekuppelt mit der Streckhärteeigenschaft von Stahl, führt zur Erzeugung einer geformten Dose mit relativ hoher axialer Quetschfestigkeit. Die Formgebung wird im typischen Fall erreicht unter Benutzung ausdehnbarer Kerne, die im Inneren der Dose liegen, jedoch sind auch andere Verfahren (z.B. Hydro-Formgebungsverfahren) möglich.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass dann, wenn entweder eine Aluminium-DWI-Dose oder eine Stahl-DWI-Dose geformt wird, es besonders schwierig ist, einen Überzug unter Berücksichtigung der inneren Lackbeschädigung und der Schwierigkeiten der inneren Besprühung einer geformten Dose durchzuführen. Gemäß der Erfindung ausgebildete Dosen sind in besonderer Weise geeignet, da der Überzug abrasionsfest ist und den gegenwärtigen Formoperationen widersteht und einen guten Korrosionsschutz aufrecht erhält.
Außerdem ist kein innerer Lackauftrag oder ein äußerer Basisüberzug erforderlich.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
1 veranschaulicht fünf Stufen einer Stanzoperation des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 veranschaulicht fünf Stufen eines ersten Abstrecktiefziehverfahrens gemäß der Erfindung;
3 veranschaulicht sechs Stufen eines zweiten Abstrecktiefziehverfahrens des erfindungsgemäßen Verfahrens;
4 ist eine Einzelheit eines Abstrecktiefziehverfahrens gemäß der Erfindung in größerem Maßstab;
5 ist ein Halbschnitt einer erfindungsgemäß erzeugten Dose.
1 zeigt fünf Stufen einer Stanzoperation des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die fünf Stufen sind mit A bis E bezeichnet. Die Stufe 1A zeigt als Ausgangsmaterial ein Band 1 in Form eines laminierten Stahlbandes, das zwischen einem Ziehauflager 2 und einem Rohling und einem Ziehwerkzeug 3 gehaltert ist. Es wird eine Scheibe 4 mit dem gewünschten Durchmesser aus dem Band durch Abwärtsbewegung eines Stanzmessers 5 (1B) ausgeschnitten. Dann wird ein Stempel 6 (1C und 1D) nach unten bewegt, wobei die Ränder der Scheibe zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen von Ziehauflager 2 und Ziehwerkzeug 3 eingeklemmt sind. Dadurch wird ein Napf 7 geformt, der durch Druckluft (1E) aus dem Formwerkzeug entfernt wird.
Im typischen Fall betägt die Dicke des Bandes aus dem Ausgangsmaterial etwa 0,16 mm. Im Vergleich dazu hat ein herkömmliches Aluminium-Ausgangsmaterial eine Stärke von etwa 0,28 mm.
Wie aus 2 ersichtlich, wird der Napf 7 dann in ein Gesenk 8 eingesetzt, um einen ersten Abstreckziehvorgang durchzuführen. Dieser Schritt ist in 2A dargestellt. Das Gesenk ist mit einer Formgebungslippe 9 ausgerüstet und besitzt einen gekrümmten ringförmigen Fortsatz 10, der nach innen von der oberen Oberfläche vorsteht. Die Lippe 9 und der Fortsatz 10 sind deutlicher aus 4 erkennbar. Wie aus 2B ersichtlich, bewegen sich eine Druckhülse 11 und der Stempel 12 nach unten und innerhalb der Seitenwand des Napfes 7. Der äußere Rand der Napfbasis sitzt zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen von Druckhülse 11 und Gesenk 8. Der Spalt zwischen diesen Teilen ist nur so groß, dass die Bewegung des Napfes 7 behindert wird, aber nicht eine Kraft ausübt, die ausreicht, um den Napf zu defomieren oder zu strecken. Wenn der Stempel nach unten bewegt wird, dann wird die Wand des Napfes gestreckt, um die Höhe des Napfes zu vergrößern. Der Streckprozess ist wieder deutlicher aus 4 ersichtlich. Daraus ist ersichtlich, dass die Wand des Napfes zwischen dem Fortsatz 10 und der unteren Oberfläche des Stempels weder mit dem Gesenk 8 noch mit der Seitenwand des Stempels 12 in Berührung steht. Die Bewegung des Napfes zwischen der Druckhülse 11 und dem Gesenk 8 und über den gekrümmten Fortsatz 10 wird behindert, um ein Strecken der Napfwandung zu verursachen.
Nach dem Strecken wird der Napf durch Luftdruck ausgeworfen (vergleiche 2E).
Nunmehr wird auf 3 Bezug genommen. Der zweite Abstreckziehvorgang benutzt die gleiche oder eine sehr ähnliche Druckhülse und ein ähnliches Gesenk, wie sie bei dem ersten Abstreckziehvorgang benutzt wurden. Aus diesem Grunde wurden hier die gleichen Bezugszeichen benutzt.
In 3 ist der Napf 7 wieder auf dem Gesenk 8 angeordnet (3A). Die Druckhülse 11 wird nach unten bewegt, wie dies in 3B dargestellt ist, um die Hülse innerhalb des Napfes 7 anzuordnen. Wiederum ist der Abstand zwischen der Hülse 11 und dem Gesenk 8 derart angeordnet, dass die Bewegung des Napfes behindert, aber eine solche Bewegung nicht ausgeschlossen wird.
Ein Stempel 14 mit einer Ausnehmung 15 an der Basis wird nach unten in Eingriff mit der Napfbasis bewegt, um wiederum die Seitenwand zu strecken und eine Verlängerung dieser Seitenwand zu bewirken. Der Streckvorgang ist der gleiche wie oben unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. Dieser Streckvorgang ist in den 3C und 3D dargestellt. Danach verlässt der Napf das Gesenk 8 und der Stempel 14 bewegt sich kontinuierlich nach unten und plaziert die Basis des Napfes in Eingriff mit einem Kuppelformgesenk 16 und einem Formring 17, die in der Napfbasis eine gewünschte Kuppel erzeugen, die dem fertigen Gegenstand eine Festigkeit verleiht.
Der voll gestreckte und geformte Napf wird dann unter Benutzung von Druckluft ausgestoßen, wie dies in 3F dargestellt ist.
Im typischen Fall besitzt der voll gestreckte und geformte Napf in der Mitte der Wand eine Dicke von 0,12 mm und im oberen Teil der Wand eine Dicke von etwa 0,15 mm. Diese Abmessungen stehen im Vergleich zu den entsprechenden Abmessungen von 0,104 mm bzw. 0,165 mm bei herkömmlichen Aluminiumdosen.
Die Gestalt, die auf den Dosenboden durch den Formring und das Kuppelgesenk aufgeprägt wurde, ist in 5 dargestellt. Diese Kuppel muss einem Innendruck von wenigstens 95 psi widerstehen, um die gegenwärtigen industriellen Normen bei Stahldicken unter 0,20 mm zu erfüllen (im typischen Fall 0,15/0,16 mm). Dies wird durch Kombination des hochfesten formbaren DR-Stahls und der Geometrie der Konstruktion erreicht. Es wird auch durch die Polymerlaminatüberzüge ermöglicht, die den Formvorgängen widerstehen können und danach immer noch einen Schutz an scharfen Radien und Winkeln gewährleisten. Normalerweise sind DWI-Dosen innen mit einem Sprühüberzug aus "Lack" überzogen, der das gesamte freiliegende Metall abdecken muss, aber es ist schwierig, dies an jenen Oberflächen zu erreichen, die dicht an der Vertikalen und an scharfen Radien liegen. Eine DWI-Dosenkuppel kann "nachgeformt" werden, nachdem der Sprühvorgang durchgeführt wurde, um die Geometrie dann noch zu ändern, aber bei dieser Dose kann die unten beschriebene Geometrie ohne Nachformen erreicht werden. Gemäß 5 sind die wichtigen Merkmale die Tiefe der Kuppel, DD, und diese sollte > 11 mm sein und der Kugelradius der Kuppel, SR, und dieser sollte zwischen 48 und 54 mm liegen und der Radius an der Stelle 20, der kleiner als 0,6 mm sein sollte und der Winkel θ, der zwischen 0° und 5° liegen sollte.
Wenn die Dose geformt werden soll, kann dies erreicht werden, indem sie auf einen ausdehnbaren Kern aufgesetzt wird, der bei seiner Ausdehnung irgendeine erforderliche Form auf die Dose aufprägt. Dies ist nur möglich, weil das spezielle vorüberzogene laminierte Bandausgangsmaterial, welches hierbei benutzt wurde, eine genügende Eigenformfähigkeit besitzt, um den Streckvorgängen und den Formvorgängen, wie sie oben beschrieben wurden, zu widerstehen, ohne dass die Integrität des Überzugs beschädigt wird. Es können auch andere Formverfahren einschließlich einer Hydro-Verformung angewandt werden.
Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, dass die Erfindung eine Dosenformgebung durch mechanische Expansion (im typischen Falle bis zu 10%) ohne eine Zwischenbehandlung und ohne Nachbearbeitung oder Reparatur des Lackauftrages ermöglicht. Auf diese Weise wird die Dehnungsfähigkeit für Leichtgewichtsdosen maximiert, und die höhere Festigkeit und Bearbeitungshärte, die hierdurch erreicht wurde, führt zu einem verbesserten axialen Quetschverhalten. Außerdem werden Lösungsmittelemissionen im Wesentlichen vermieden und alle Überzüge sind frei von PVC. Außerdem wird der Abfall bei der Dosenherstellung beträchtlich vermindert.
Die vorstehenden Ausführungen erläutern nur Beispiele von Verfahren und Vorrichtungen gemäß der Erfindung und es können Modifikationen getroffen werden, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen, wie dieser durch die beiliegenden Ansprüche definiert ist.

Claims

Verfahren zum Herstellen von Metalldosen aus einem Ausgangsmaterial, bestehend aus einem kohlenstoffarmen Stahlband (1) oder einem kohlenstoffarmen Stahlblech, die auf beiden Seiten mit einem kohärenten laminierten Überzug aus einem thermoplastischen Polymermaterial überzogen sind, wobei das Verfahren eine oder mehrere Nachziehstufen aufweist, in denen die Seitenwände in ihrer Dicke durch Strecken verringert werden und in der Dosenbasis eine nach innen vorstehende Kuppel (10) erzeugt wird, die durch aufrecht stehende Wände begrenzt ist, die einen Winkel zwischen 0° und 5° gegenüber der Vertikalen einschließen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das kohlenstoffarme Stahlband (1) aus einem doppelt reduzierten, hochfesten, kohlenstoffarmen Stahl mit hoher Duktilität besteht, der eine Streckgrenze im Bereich zwischen 480 bis 690 N/mm² aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem der maximale Kohlenstoffgehalt des Stahls 0,05 Gew.% beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem das kohlenstoffarme Stahlband die folgenden Bestandteile in Gewichtsprozenten enthält: C 0,01-0,04; S 0,02 maximal; P 0,015 maximal; Mn 0,15-0,30; Ni 0,04 maximal; Cu 0,06 maximal; Sn 0,02 maximal; As 0,01 maximal; Mo 0,01 maximal; Cr 0,06 maximal; Al 0,02-0,09 und N₂ 0,003 maximal.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Stahl durch Warmwalzen oder Kaltwalzen auf eine Stärke zwischen 0,12 mm und 0,25 mm reduziert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Ausgangsmaterial aus einem kohlenstoffarmen Stahlband (1) oder kohlenstoffarmen Stahlblech mit einer Dicke von weniger als 0,25 mm besteht, überzogen auf beiden Oberflächen mit kohärenten, beschichteten Filmen aus einem thermoplastischen Polymer, wobei der Laminatüberzug eine ausreichende Formbarkeit besitzt, um ohne Integrationsverlust Dickenverminderungen bis zu 40% widerstehen zu können.
Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem die Polymerlaminate aus Filmen von Polyehtylenterephthalat und Polypropylen bestehen.
Verfahren nach den Ansprüchen 6 oder 7, bei welchem die Filme auf den Oberflächen des Ausgangsmaterials unter Benutzung von Wärme und Druck festgelegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei welchem die Filme gemeinsam stranggepresst sind, wodurch ein Verbindungsfilm von etwa 2 μm zunächst mit dem Ausgangsmaterial in Berührung gelangt, gefolgt von einem Polymerfilmüberzug, der nach dem Überzugsvorgang erhitzt und abgekühlt wird, um eine amorphe Struktur in dem Polyehtylenterephthalat und eine minimale kristalline Struktur in dem Polypropylen zu erzeugen.
Metalldose aus einem kohlenstoffarmen Stahl, der an seiner inneren und äußeren Oberfläche mit einem Laminatüberzug aus einem thermoplastischen Polymer überzogen ist, welches eine gute Formbarkeit aufweist, wobei die Basis der Dose mit einem kuppelartigen Vorsprung (10) versehen ist, dessen innere Wände einen Winkel von nicht mehr als 5° gegenüber der Vertikalen einschließen.
Metalldose nach Anspruch 10, bei welcher die Wände der Dose in ihrer Dicke durch einen Streckvorgang vermindert sind.
Metalldose nach den Ansprüchen 10 oder 11, bestehend aus einem doppelt reduzierten, hochfesten, kohlenstoffarmen Stahl hoher Streckbarkeit und einer Streckgrenze im Bereich zwischen 480 bis 690 N/mm².
Metalldose nach Anspruch 12, bei welcher der maximale Kohlenstoffgehalt des Stahls 0,05 Gew.% beträgt.
Metalldose nach Anspruch 13, welche die folgenden Bestandteile in Gewichtsprozenten aufweist: C 0,01-0,04; S 0,02 maximal; P 0,015 maximal; Mn 0,15-0,30; Ni 0,04 maximal; Cu 0,06 maximal; Sn 0,02 maximal; AS 0,01 maximal; Mo 0,01 maximal; Cr 0,06 maximal; Al 0,02-0,09 und N₂ 0,003 maximal.
Metalldose nach einem der Ansprüche 10 bis 14, bei welcher der Stahl durch Warmwalzen oder Kaltwalzen auf eine Stärke zwischen 0,12 mm und 0,25 mm verringert ist.