DE69904207T2 - Verfahren zum herstellen von dosenkörpern, und von gefüllten und geschlossen behältern von dosen - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich zunächst auf ein Verfahren zur Herstellung von Dosenzargen aus im Wesentlichen metallischen Rohlingen, wobei das Verfahren den Arbeitsgang zum Ausstanzen von Scheiben aus Blechmaterial und die Bildung von Dosenzargen durch Tiefziehen und/oder Abstreckziehen der Wandungen umfasst, wobei jede Dosenzarge eine Dosenwandung und einen Dosenboden umfasst (vgl. japanische Patentschrift JP-A-07232230). In der Verpackungsindustrie versteht man unter Rohlingen im Allgemeinen die Vorformlinge, aus denen Dosenzargen durch Tiefziehen und/oder Abstreckziehen hergestellt werden.
• Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung gefüllter und verschlossener Dosen, neben der Herstellung von Dosenzargen. Dabei werden Dosen dieser Art in großen Stückzahlen zum Verpacken von Getränken und Lebensmitteln und auch anderen Stoffen verwendet.
• Die Grundlage für den nachstehenden Text bezieht sich zwar ganz Allgemein auf die Herstellung einer Getränkedose, auch wenn die Erfindung ausdrücklich nicht darauf beschränkt ist.
• Ein im Allgemeinen übliches Verfahren besteht darin, dass runde Scheiben aus einem Blechmaterial ausgestanzt werden, wobei diese Scheiben als Rohlinge verwendet werden können. Diese Produktion von Rohlingen kann im Werk des Dosenherstellers erfolgen, aber auch im Werk des Stahlerzeugers, wobei in diesem Fall der Hersteller den anfallenden Metallabfall sofort wieder verwenden kann. Die Bearbeitung flacher Rohlinge dieser Art umfasst einen oder mehrere Arbeitsgänge zum Tief ziehen, an die sich bei Bedarf ein Arbeitsgang zum so genannten Abstreckziehen anschließt. Während des Tiefziehens bleibt die Wandungsdicke der geformten Dose bzw. von deren Zwischenformen im Wesentlichen unverändert. Während des Abstreckziehens dagegen wird das Material der Wandung viel dünner, was zu einer erheblichen Einsparung an Material führt. Der Boden der Dose behält jedoch weitgehend seine ursprüngliche Blechdicke oder wird nur geringfügig dünner, wenn der Boden anschließend auch profiliert werden soll.
• Eine solche Profilierung kann beispielsweise darin bestehen, dass ein so genannter Kern in den Boden eingepresst wird, um so dem Boden eine etwas größere Formstabilität zu verleihen. Dennoch wird dabei der Boden nur geringfügig dünner als die ursprüngliche Stärke des verwendeten Blechmaterials. In gleicher Weise werden die mechanischen Eigenschaften des Bodens im Wesentlichen durch die Eigenschaften des Ausgangsmaterials bestimmt.
• Die Wahl des Ausgangsmaterials wird im Wesentlichen von den Anforderungen bestimmt, welche durch den Tiefziehvorgang und/oder den Vorgang des Abstreckziehens der Dosenwandung an das Material gestellt werden; infolgedessen ist es unmöglich, ein steiferes und härteres Ausgangsmaterial zu verwenden, was zu einem dünneren Boden führen könnte.
• Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, bei dem es immer noch möglich ist, erhebliche Mengen an Material im Rohling und somit auch in der Dosenzarge einzusparen.
• Hierzu besteht die Erfindung in dem Verfahren zur Herstellung von Dosenzargen, wie es im Oberbegriff des Anspruchs 1 umrissen wird, bei welchem das Blechmaterial entlang zweier Achsen an der Stelle gereckt wird, an der sich der Mittelabschnitt des zu formenden Rohlings befindet, wohingegen ein Bereich des zu formenden Rohlings, der außerhalb des Mittelabschnitts liegt, in seiner Position festgeklemmt gehalten wird.
• Infolge dieses Reckens entlang zweier Achsen wird der Mittelabschnitt des Rohlings dünner, doch erfährt er bei diesem Vorgang auch eine beträchtliche Kaltverfestigung durch die Umformung. Der Teil des Rohlings, der weiter zur Außenseite hin liegt, erfährt keine biaxiale Streckung und infolgedessen behält er die ursprünglichen Eigenschaften des Materials bei.
• Infolge des Reckens des Mittelabschnitts entlang zweier Achsen wird Material von der Mitte aus nach außen verdrängt, mit dem Ergebnis, dass etwas von dem Material, das ansonsten den Boden der Dose bildet, nun einen Teil der Dosenwandung bildet. Infolgedessen kann die ausgestanzte Scheibe, aus welcher ein Rohling gebildet wird, kleiner sein, mit dem Ergebnis, dass Material eingespart wird. Darüber hinaus wird es dadurch möglich, eine Dose aus einem Rohling mit Hilfe eines einzigen Arbeitsgangs zum Tiefziehen tief zu ziehen. Durch geeignete Anpassung der Form des Dosenbodens ist es möglich, dass letzterer die gleiche Steifigkeit beibehält.
• Das Recken der Mittelabschnitte der zu bildenden Rohlinge entlang zweier Achsen kann vor dem Ausstanzen von Scheiben aus dem Blechmaterial durchgeführt werden. In diesem Fall muss das Blech örtlich begrenzt an jeder Position in seiner Stellung festgeklemmt werden, aus welcher eine Scheibe ausgestanzt wird, und muss innerhalb jedes Klemmrandes gereckt werden. Die Rohlinge können dann aus dem Blech ausgestanzt werden.
• Es wird jedoch ein Verfahren bevorzugt, bei welchem die Scheiben vor dem Recken des Mittelbereichs des Rohlings entlang zweier Achsen ausgestanzt werden. Auf diese Weise kann mit einer einfachen Ausrüstung für das biaxiale Recken gearbeitet werden.
• Üblicherweise werden metallische Dosenzargen für Getränkedosen aus Aluminium oder Stahl hergestellt. Auch wenn das neue Verfahren auch bei Aluminiumblech eingesetzt werden kann, hat es sich gezeigt, dass es zu bevorzugen ist, das Verfahren bei einem Blechmaterial auf Stahlbasis einzusetzen. Der Grund hierfür liegt darin, dass man festgestellt hat, dass in diesem Fall eine deutlich stärkere Verformung des Ausgangsmaterials möglich ist, was zu einer höheren Einsparung an Material führt.
• Es hat sich ebenfalls herausgestellt, dass das neue Verfahren vorzugsweise bei einem Blechmaterial eingesetzt werden sollte, das mit einer metallischen Beschichtung belegt und/oder mit Kunststoff beschichtet ist. Infolgedessen sind weniger nachfolgende Arbeitsgänge an dem fertigen Dosenkorpus erforderlich, um die Dose zu befüllen und zu verschließen.
• Das Recken des Mittelbereichs des zu formenden Rohlings entlang zweier Achsen kann auf verschiedene Weise ausgeführt werden. Beispielsweise ist es vorstellbar, die allgemein bekannte Technik des Hydroformverfahrens zu diesem Zweck anzuwenden oder alternativ auch die Technik de Metalldrückens unter Einsatz einer Drückwalze. Beide Verfahren haben sich jedoch als äußerst zeitraubend erwiesen. Deshalb wird ein Verfahren nach der vorliegenden Erfindung bevorzugt, bei welchem das Recken entlang zweier Achsen dadurch ausgeführt wird, dass ein Ziehstempel mit konvex geformtem Kopf gegen den Mittelbereich des zu formenden Rohlings aufgepresst wird. Dabei kann die Form des konvex geformten Kopfes an die gewünschte Verteilung der Festigung über die gesamte Oberfläche des Rohlings angepasst werden. Im Allgemeinen weist jedoch die Oberfläche dieses Kopfes in etwa die Form eines Kugelsegments auf.
• Der entlang zweier Richtungen gereckte Mittelbereich entspricht zumindest dem aus dem Rohling zu formenden Dosenboden. Wird dieser Dosenboden insgesamt dünner ausgeführt, wird weiteres Material eingespart. Insbesondere sollte jedoch der biaxial gereckte Mittelbereich vorzugsweise auch den Teil des Rohlings umfassen, aus dem ein konisch zulaufendes Übergangsteil vom Dosenboden bis zur Dosenzarge geformt wird. Dabei ist zu beachten, dass die Verwendung eines konisch zulaufenden Übergangsteils dieser Art bei Getränkedosen sehr weit verbreitet ist.
• Dabei wird deutlich, dass umso mehr Materialmenge eingespart werden kann, je stärker das Ausmaß ansteigt, in dem gereckt wird. Dabei muss jedoch auch klar erkannt werden, dass auch in diesem Fall durch das verwendete Material Grenzen gesetzt sind.
• Ein gutes Maß kann beim biaxialen Recken bei Stahldosen erreicht werden, wenn dieses Recken entlang zweier Richtungen zu einer Verringerung der Dicke führt, die im Mittel zwischen 20 und 30% liegt. Bis heute wurden die besten Ergebnisse mit einer Reduzierung der Dicke erzielt, die über den Mittelbereich gleichmäßig verteilt waren und eine Reduzierung von 23 bis 27 mit sich bringt.
• Wie bereits ausgeführt, ist es möglich, von Blechmaterial auszugehen, das beschichtet ist. Es wurde festgestellt, dass dann gute Ergebnisse erzielt werden, wenn das Blechmaterial auf Stahlbasis hergestellt ist und auf beiden Seiten mit einer der Substanzen metallisch beschichtet ist, die aus der Gruppe gewählt sind, die Zinn und Chrom-Chromoxid umfasst, und welches außerdem auf zwei Seiten mit mindestens einer Kunststoffschicht versehen ist, die aus der Gruppe gewählt wird, welche PET, Polypropylen oder deren Kopolymere umfasst.
• Stahlblech, das in dieser Weise beschichtet wurde, ist allgemein an sich bekannt und bedarf keiner weiteren Erläuterung.
• Des Weiteren hat es sich als wichtig für das neue Verfahren erwiesen, dass das verwendete Stahlmaterial einen n-Wert von mindestens 0,16 aufweist. Die Art und Weise, in welcher der n-Wert - der auch als "Exponent der Kaltverfestigung" bekannt ist - bestimmt wird, wird in dem Normverfahren ASTM E 646 beschrieben.
• Bei dem bekannten Verfahren zum Tiefziehen und Abstreckziehen von Stahldosen ist es üblich, dass als allererstes ein so genannter Napf aus Rohlingen gezogen wird, und dass dieser Napf selbst dann einem weiteren Tiefziehvorgang unterzogen wird, ehe ein Arbeitsgang zum Abstreckziehen bzw. Gleitziehen vorgenommen wird. Vorzugsweise werden in diesem Fall der zweite Tiefziehvorgang und der Arbeitsgang zum Abstreckziehen in einem einzigen Vorgang mit einander kombiniert. Es hat sich gezeigt, dass dann, wenn das neue Verfahren eingesetzt wird, nach dem biaxialen Recken des Rohlings nur ein einziger Tiefziehvorgang ausgeführt werden muss, vorzugsweise in Verbindung mit einem Vorgang zum Abstreckziehen. Darüber hinaus besteht ein weiterer Vorteil dieses neuen Verfahrens darin, dass überraschender Weise das allgemein erkannte Problem der Bördelungsfalten, insbesondere in dem konischen Übergangsbereich des Bodens, nicht mehr vorhanden ist.
• Wie schon ausgeführt, besteht eine Möglichkeit darin, die Rohlinge separat von der Arbeit herzustellen, die mit der Bildung der Dosenböden zusammenhängt. Es hat sich jedoch erwiesen, dass es sehr gut möglich ist, das biaxiale Recken ausgestanzter Scheiben zur Bildung von Rohlingen und die Bildung von Dosenzargen aus diesen in auf einander folgenden Bearbeitungsschritten unter Einsatz separater Maschinen zur Bearbeitung in Abfolge vorzunehmen.
• Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung gefüllter bzw. geschlossener Dosen. Geht man dabei von Material aus, das auf beiden Seiten mit Kunststoff beschichtet wurde, so hat es sich als möglich erwiesen, nicht nur Dosenzargen aus den beschichteten Rohlingen zu bilden, sondern auch anschließend diese Dosenzargen anschließend zu füllen und mit einem Deckeln in bekannter Weise dicht zu verschließen. Dies macht es möglich, eine so genannte "Form-Füll- Saumlinie" für Getränkedosen vorzusehen. Dies Spart Kosten beim Transport leerer Dosen.
• Schließlich bezieht sich die Erfindung auch auf den Korpus der Metalldose selbst, welche eine Dosenwandung und einen Dosenboden aufweist. Dieser neue Dosenkorpus zeichnet sich dadurch aus, dass der Dosenboden aus kalt verfestigtem Material mit einer Stärke von 2,5 bis 2,75 · die Wandungsdicke der Dosenwandung gebildet wird Dieses Verhältnis der Stärke ist deutlich niedriger als bei bekannten Getränkedosen, bei denen dieses Verhältnis im Allgemeinen zwischen 2,8 und 3,2 liegt. In diesem Fall wird ein Verhältnis in der Dicke des Bodens zur Wandungsdicke von 2,55 bis 2,66 bevorzugt. Dies sorgt für einen guten Kompromiss zwischen den Anforderungen, die an das Material gestellt werden, auf der einen Seite, und der Möglichkeit, Material einzusparen, auf der anderen Seite.
• Ein Stahldosenkorpus der vorstehend beschriebenen Art sollte vorzugsweise einen Dosenboden aufweisen, bei dem das Material eine Zugfestigkeit von 620 ± 70 N/mm² bei einer Längendehnung von 0,2% und eine Härte R 30 C von 76 ± 3 N/mm² aufweist.
• Nachstehend wird die Erfindung nun ausführlicher unter Bezugnahme auf eine Reihe von Figuren und Versuchsergebnisse erläutert.
• Fig. 1 stellt das Recken eines in der Mitte liegenden Bereichs einer Scheibe entlang zweier Pachtungen dar.
• Fig. 2 zeigt die weitere Verarbeitung des auf diese Weise erhaltenen Rohlings.
• In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 eine Scheibe aus Stahlblech dargestellt, deren großer Umfang zwischen einem oberen Klemmring 2 und einem unteren Klemmring 3 festgeklemmt wird und die auf diese Weise zwischen diesen Klemmringen 2, 3 fest gehalten wird. Ein konvexer Tiefziehstempel 4 wird gegen den in der Mitte liegenden Bereich der Scheibe 1 gedrückt; dabei stellt die linke Seite der Figur die Position des konvexen Tiefziehstempels 4 vor der Verformung der Scheibe 1 dar, während der rechte Teil der Figur dessen Position bei Ende des Vorgangs zum biaxialen Recken der Scheibe zeigt. In dieser Position hat sich der in der Mitte liegende Bereich der Scheibe nach außen in die Form 5 gewölbt. Gearbeitet wird hier mit einem Scheibendurchmesser von 125 mm und einer Scheibenstärke von 0,22 mm. Bei dem Ausgangsmaterial handelte es sich um ein mit Zinn beschichtetes Stahlblech mit einer Fließdehnung von 283 N/mm², einer Zugfestigkeit von 385 N/mm², einem r-Wert von 1,21 und einem n-Wert von 0,16. Während der Herstellung der konvexen Form 5 wird das Material im Mittelbereich der Scheibe 1 immer dünner und härter und bildet letztendlich den Dosenboden, der dann zu formen ist.
• Fig. 2 stellt den gemäß der Darstellung in Fig. 1 geformten Rohling 5 dar, der in eine anschließende Bearbeitungsvorrichtung eingesetzt ist. In diesem Fall befindet sich die Kante des Rohlings 5 zwischen einem Ziehgesenk 6 und einem Haltering 7 zum Halten des Rohlings in einer Tiefziehpresse. Dabei zeigt die linke Hälfte von Fig. 2 die Position eines Tiefziehstempels 8 bei Beginn des Tiefziehvorgangs, während die rechte Hälfte dieser Figur eine Position praktisch am Ende dieses Tiefziehvorgangs darstellt. Im Unterschied zu dem in Fig. 1 dargestellten Arbeitsablauf, bei welchem die Kante der Scheibe in ihrer Stellung gehalten wird, ist hier vorgesehen, dass während des Tiefziehvorgangs die Kante zwischen dem Ziehgesenk 6 und dem Haltering 7 zum Halten des Rohlings ausgezogen wird. Der hier dargestellte Tiefziehstempel 8 verläuft in der Nähe seines Endes in etwa konisch, wodurch es möglich wird, den konischen Übergang 11 zum Boden 10 zu bilden, der bei vielen Getränkedosen üblich ist. Wegen der konvexen Form 5 des Rohlings passt sich das Material nun der Form des Tiefziehstempels besser an, wodurch Bördelungsfalten verhindert werden.
• Wegen des härteren und dünneren Bodens 10 wird etwas von dem Material, das aus dem Mittelbereich des Rohlings ausfließt, nach außen verdrängt und bildet dabei den Übergangsbereich 11 oder auch einen Teil der Wandung des tiefgezogenen Napfes. Infolgedessen ist es möglich, mit einer Scheibe zu beginnen, deren Durchmesser 125 mm beträgt, um so eine Getränkedose mit einem Durchmesser von etwa 66 mm und einer Höhe von 115 mm zu bilden, wozu bisher Scheiben mit einem Durchmesser von 130 mm erforderlich waren. Dies führt bei den geformten Dosen zu einer Materialeinsparung von etwa 8%.
• Fig. 2 stellt außerdem einen Ring 9 zum Abstreckziehen dar. Indem der Tiefziehstempel 8 noch weiter bewegt wird, kann der durch Tiefziehen gebildete Napf durch Abstreck- oder Gleitziehen noch weiter zu einem Dosenkorpus geformt werden.
• Dabei ist zu beachten, dass in der Praxis eine Vielzahl von Ringen zum Abstreckziehen vorgesehen ist, beispielsweise sind 2 bis 4 derartige Ringe im Allgemeinen hinter einander angeordnet. Die Positionierung dieser Ringe zum Tiefziehen ist allgemein bekannt und wird in der Figur nicht dargestellt.

Claims (14)

1. Verfähren zum Herstellen von Dosenkörpern aus Metallrohlingen (5), welches den Arbeitsgang des Ausstanzens von Scheiben (1) aus Blechmaterial und der Herstellung von Dosenkörpern durch Tiefziehen und/oder Abstreck- oder Gleitziehen der Wandungen umfasst, wobei jeder Dosenkörper eine Dosenzarge und einen Dosenboden aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechmaterial entlang zweier Achsen an der Stelle gereckt wird, an der sich der Mittelabschnitt des zu formenden Metallrohlings befindet, wohingegen ein Bereich des zu formenden Rohlings, der außerhalb des Mittelabschnitts liegt, in seiner Position festgeklemmt gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheiben (1) vor dem biaxialen Recken des Mittelabschnitts des Rohlings aus dem Blechmaterial ausgestanzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangsmaterial ein Blech auf Stahlbasis verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechmaterial mit einer metallischen Beschichtung versehen und/oder mit einer Kunststoffschicht überzogen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorgang des biaxialen Reckens durch Aufpressen eines Stanzteils (4) mit konvex geformtem Kopf gegen den Mittelabschnitt des zu formenden Rohlings ausgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der biaxial gereckte Mittelabschnitt zumindest dem Boden der Dose entspricht, der aus dem Rohling geformt werden soll.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der biaxial gereckte Mittelabschnitt auch den Teil des Rohlings umfasst, aus dem ein konisch zulaufendes Übergangsteil vom Deckel der Dose bis zur Dosenzarge geformt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 3 oder einem der Ansprüche 4 bis 7 in Kombination mit Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsgang des biaxialen Reckens in einem Ausmaß ausgeführt wird, das zur Verringerung der Dicke um 20 bis 30% im Mittel führt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verringerung der Dicke innerhalb eines Bereichs von 23 bis 27% gleichmäßig verteilt ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial ein Stahlblech ist, welches auf zwei Seiten mit einer metallischen Beschichtung aus einer der Substanzen versehen ist, die aus der Gruppe gewählt sind, welche Zinn und Chrom-Chromoxid umfasst, und welches außerdem auf zwei Seiten mit mindestens einer Kunststoffschicht versehen ist, die aus der Gruppe gewählt ist, welche PET, Polypropylen und deren Kopolymere umfasst.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Blechmaterial einen n-Wert von mindestens 0,16 aufweist.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dosenkorpus aus dem biaxial gereckten Rohling unter Einsatz ei nes Arbeitsschritts mit Tiefziehen mit mindestens einem anschließenden Arbeitsgang zum Abstreckziehen hergestellt wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsgang des biaxialen Reckens des Blechmaterials und der Arbeitsgang der Formung von Dosenkörpern aus diesem Blech in aufeinander folgenden Bearbeitungsgängen auf einer Produktionsstraße stattfinden.

14. Verfahren zur Herstellung befüllter und verschlossener Dosen, dadurch gekennzeichnet, dass unter Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 10 in Verbindung mit Anspruch 12 oder 13 Dosenkörper gebildet werden, und dass anschließend die Dosen in an sich bekannter Weise befüllt und unter Verwendung eines Deckels dicht verschlossen werden.