Verfahren und Einrichtung zur Fliessfertigung von Hohlkörpern aus flachen, geschichteten Stoffbahnen sowie daraus hergestellter Hohlkörper Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern unterschiedlicher Form (Tuben, Röhrchen, Dosen, Büchsen usw.) aus flachen, beschichteten oderkund geschichteten Stoff bahnen mittels einheitlicher Fertigungsmethode und unter möglichstem Ausschluss unproduktiver Mani pulationen,
eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens und nach dem Verfahren hergestellten Hohlkörper.
Nach dem gegenwärtigen Stand der Technik sind Hohlkörper der Verpackungsindustrie vorwiegend aus einem Stoff (Metall, Kunststoff, Papier, Karton, Glas, Keramik) hergestellt. Einige homogene Wände haben diinne überzüge (z. B. Zinn und Lack bei Weiss blech, Kunststoffe bei Papier).
Weil jeder homogene Stoff mittels spezieller, materialangepasster Verfahren verarbeitet werden muss, gelangen Schneiden, Stanzen, Rollen, Kleben, Löten, Bördeln, Giessen, Tiefziehen, Spritzen usw., alle in der Technik üblichen Formungsverfahren wahlweise zur Anwendung, und eine Vereinheit lichung der Herstellungsverfahren erscheint ausge schlossen.
Die meisten Hohlkörper werden nicht -am Ver braucherort, unmittelbar vor der Abfüllung ange fertigt, weil dies umfangreiche Hilfsbetriebe erforderty sondern im füllfertigen Zustand von auswärts be zogen.
Um den Neuheitsgehalt der Erfindungsidee zu treffend einschätzen zu können, müssen einige der gegenwärtig wichtigsten Herstellungsverfahren ange geben werden.
Metalltuben werden mittels Fliessdruck angefer tigt. Runde Metallzuschnitte werden durch starke, schlagartige Druckeinwirkung eines Stempels plasti- fiziert und in der Form hochgetrieben, dann mit Gewinde versehen und abgelängt. Die Anschaffung der Automaten ist kostspielig, aber die Arbeit relativ billig. Die nachfolgenden Phasen der Fertigstellung sind umständlich und teuer.
Aluminiumtuben werden geglüht, innen und aussen lackiert, bedruckt, Lacke und Farben eingebrannt. Blei- und Zinntuben, wel che nur schwindenden Anteil am Markt haben, sind einfacher ausgestattet. Die Anlagen benötigen gute Kapazitätsausnutzung und grosse Auflagen.
Darum stehen solche Fertigungslinien in spezialisierten Fa briken, welche füllfertige Leertuben liefern. Die Be steller müssen grosse Auflagen beziehen, beträcht liches Lager an Leertuben halten und mehrfache unproduktive Manipulation hinnehmen. Diese zu sätzlichen Kosten machen die Metalltuben teuer. Trotzdem finden diese zunehmende Verwendung, wobei die Aluminiumtube gegenwärtig denn Markt beherrscht.
Der Verbrauch an Tuben könnte gestei gert werden, wenn d.ie Selbstherstellung von Metall tuben durch die Verbraucherbetriebe technisch mög lich und lohnend wäre.
Nach dem gegenwärtigen Stand der Technik ist eine Dezentralisierung der Erzeugung von Metaill- tuben und eine Verbilligung durch Entfall unpro- duktiver Phasen undurchführbar.
Kunststofftuben haben derzeit noch: keinen gro ssen Anteil am Markt. Sie werdenr mittels Spritzen, Blasen, Pressen erzeugt. Sie haben relativ dicke Wände, deren starrelastische Eigenschaften uner wünscht sind. Die Herstellungsautomaten haben ge ringe Kadenzen, wiel die Wärmeübergänge in Thermoplasten zögernd erfdilgen. Mehrfachwerkzeuge verteuern die Anlagekosten. Versuche, durch Tief ziehen oder mittels Wicklung dünnwandige Tuben herzustellen, haben zu keinen brauchbaren: Resultaten geführt.
Die Herstellung ist gleichfalls Spezialfabriken überlassen. Die. Transport- und Lagerprobleme sind etwas vereinfacht, aber noch unzureichend gelöst. Eine wesentliche Senkung der Einstandskosten ge genüber den Metalltuben ergibt sich für den Ver braucher nicht.
Die einzige Ähnlichkeit bei der Herstellung von Metall- und Kunststofftuben besteht in der Plastifi- zierung des verwendeten Materials. Beide Tuben arten sind durch dünne überzüge (Lacke, Farben) veredelte Einstoff-Hohlkörper, welche auf unterschied lichen Maschinen angefertigt werden müssen. Die Wände sind aus fabrikatorischen Gründen stärker, das Leergewicht grösser, als dies für den Verwen dungszweck erforderlich wäre. Für beide Arten ist eine Dezentralisierung der Erzeugung derzeit nicht möglich.
Bei den Dosen, Büchsen sind die Verhältnisse etwas differenzierter. Entweder bestehen diese aus einem Stoff (z. B. Dosen, Röhrchen aus Glas, Alu minium) oder haben überzüge zwecks Verbesserung der Oberflächeneigenschaften (z. B. Zinn bei Stahl blech; Paraffin, Lacke, Kunststoffe bei Becherkarton) oder sind mit einem zweiten Stoff ergänzt (z. B.
Wickeldosen aus Graukarton mit Aluminium-Folien bekleid@\ung, eingebördelte Metallböden). Die meisten Arten werden ebenfalls in Spezialfabriken hergestellt.
Nur die Herstellung von Weissblechdosen ist durchorganisiert. Die Kosten sind infolge der rationel len Herstellung, sowohl der Dosenteile wie des Stahls, relativ niedrig. Die Anlagen sind zwar teuer und umfangreich, lohnen sich aber in grossen Fabriken. Mittlere Verbraucherbetriebe können derartige An lagen weder anschaffen noch ausnützen, weshalb Leerdosen bezogen werden müssen. Die Herstellung von Dosen in mittleren oder kleinen Auflagen, mit einfachen und billigen Automaten und in wechselnder Materialzusammensetzung, unmittelbar vor der Ab füllung, ist derzeit ebenfalls nicht möglich.
Bei dem grossen Verbrauch an Konservendosen kommt der Beseitigung von aufgebrochenen und geleerten Dosen eine gewisse Bedeutung zu; Metalle, Glas sollten ersetzt werden.
Aus langfaserigem Karton werden Dosen mit ein geklebtem oder eingebördeltem Boden und Deckel, evtl. Stülpdeckel, angefertigt. Entweder ist schon das Ausgangsmaterial wasserdicht, oder die fertigen Dosen werden paraffiniert, lackiert, siliconisiert. Dünnwandige Dosen aus Kunststoff werden tief gezogen und sind billig, allerdings nicht für alle Füll güter geeignet. Hohlkörper aus Glas sind ebenfalls billig und haben gute Oberflächeneigenschaften, aber grosses Eigengewicht und die Schlagempfindlichkeit beschränken die Anwendung.
Diese Aufzählung genügt, um darzutun, dass ge genwärtig den sehr vielfältigen Bedürfnissen des Marktes an Verpackungen nur durch die Verwendung verschiedener Stoffe und sehr unterschiedlicher Fer tigungsverfahren entsprochen werden kann.
Derzeit ist das Eigengewicht der meisten Ver packungen grösser, als für die Verwendung not- wendig wäre. Die Erzeugung der Hohlkörper ist mit weniger Ausnahmen in Spezialfabriken kon zentriert. Stoffe und Verfahren können nicht stell- vertretend gegeneinander ausgetauscht werden. Eine Fliessfertigung ohne Abfall ist nach dem gegen wärtigen Stand der Technik nicht möglich.
Betrachtet man die Erfordernisse, welche an eine gute Verpackung in Gestalt eines Hohlkörpers ge stellt werden können (gute Oberflächeneigenschaften, hohe Druck-, Biege-, Schlagfestigkeit, Dichtigkeit, Sterilisierbarkeit, Standfestigkeit, geringes Eigen gewicht, Preiswürdigkeit, bequemes Öffnen, voll ständige Entleerbarkeit, Herstellung vor der Füllung, guter Verschluss, leichte Vernichtbarkeit gebrauchter Hohlkörper), leuchtet ein, dass Hohlkörper aus homo genem Stoff jeweils nur einige wenige Erfordernisse erfüllen können.
Erst die Kombination verschiedener Stoffe in Form dünner Schichten mit unterschiedlichen Eigen schaften schafft Variationsmöglichkeiten, welche den meisten oder allen Erfordernissen entsprechen können.
Die Herstellung dünner Materialbahnen aus ver schiedenen Stoffen (z. B. aus Fasern durch Nass- verfilzung, aus Metallen mittels Walzen, aus Kunst stoffen mittels Extrusion oder chemischer Fällung) sowie deren adhäsive Verbindung ist 'bereits hoch entwickelt und eröffnet die grundsätzliche Möglich keit, für jede abzupackende Ware die optimale Stoff kombination anzuwenden.
Sowohl die Herstellung der Einzelschichten als deren Verbindung zu einer Kombination von Schich ten erfolgt in Bahnen von beträchtlicher Breite, mit hohen Laufgeschwindigkeiten der Bahnen und vor wiegend mittels rotierenden (Walzen) oder parallel laufenden. (Siebe, Bänder) Bearbeitungselementen.
Eine technisch und wirtschaftlich adäquate Wei terentwicklung der beschriebenen Technik ist erst dann gegeben, wenn die Verformung flachliegender Bahnen zu Hohlkörpern mit ähnlichen, fliessenden Methoden erfolgt.
Dies ist mit bekannten Mitteln nicht möglich, weil bei der Einrollung einer zylindrischen Mantelfläche nur schmale Materialstreifen (z. :B Falzleisten) ab gekantet werden können, denn infolge eines über Schusses an Fläche entsteht ein Materialstau, welcher nachträglich nicht behoben werden kann und durch eine wellenförmige Verwerfung der abgewinkelten Kante gekennzeichnet ist.
In Fig. 1 ist eine solche Verwerfung eines breiten Materialstreifens bei der Abk'antung dargestellt. über ein dornartiges Werk zeug 1 wird ein flaches, starres Material zur Mantel fläche 2 eingerollt, wobei ein breiter Materialstreifen 3 gleichzeitig abgekantet wird. Bei diesem Vorgang wird die abgewinkelte Kante 4 des Materialzuschnit tes wellenförmig verworfen, weil ein Materialstau entsteht.
Wenn die Mantelfläche und ein seitlicher Ab- schluss eines Hohlkörpers aus einem einzigen, ebenen Materialzuschnitt gleichzeitig gebildet werden soll, bedarf es neuer Verfahrensschritte, deren Grund lagen am nachfolgenden Beispiel erläutert werden.
Aus einem Zuschnitt in der Grösse von 18,84 X 22,00 cm = 414,48 cm2 Fläche soll ein zylindrischer Behälter mit Boden im Durch messer von 6 cm und mit 19 cm Mantellänge ent stehen.
Für die, ohne Naht gedachte, Mantelfläche be nötigt man (d - -t . 19 = 6 - 3,14 - 19 =) 357,96 cm2. Für den Boden stünden 56,52 cm- zur Verfügung, wovon jedoch bloss die Hälfte (r2 -,-t, .= 32-3,14 =) 28,26 cm2 benötigt werden.
Die Aufgabe besteht darin, den Flächenüber- schuss zu beseitigen, d'ass sowohl die Beseitigung, Ein rollurig und Abkantung ohne Verlust und Material- stauungen möglich werden.
Untersucht man die Verwerfung bei der Ab- kantung und zylindrischen Einrollung breiter Ma terialstreifen entlang der Kante, findet man von der Kante gegen den Mittelpunkt der Kreisfläche hin zielende Kraftlinien, deren Verlauf und Krümmung sowohl vom Material, als den räumlichen Versu chungsbedingungen abhängig ist.
Als Beispiel ist in Fig. 1 eine flach bogenförmige Kraftlinie 6 darge stellt, welche bei der Abkantung breiter Material streifen auftreten kann.
Aufbauend auf diese Untersuchungen, wird die Herstellung von Hohlkörpern aus bahnförmigen, flu chen Stoffschichten und#/oder Stoffbahnkombina- tionen erfindungsgemäss in zwei verschiedenartigen. Verfahrensschritten durchgeführt.
Der erste erfindungsgemäss durchgeführte Ver fahrensschritt kann als verlustlose Flächentransfor mation bezeichnet werden, weil die Fläche im Be reiche des später zur Boden- oder Konusbildung herangezogenen Bahnteiles durch die Anbringung von Einschnitten in die Bahn, welche aus den Ver- werfungskraftlinien abgeleitet mit wechselnder Rich tung angebracht werden, zwischen zwei benachbarten Bahnteilen hälftig geteilt wird.
Auf Fig.2 ist schematisch eine ungeteilte La- minatrolle 7 dargestellt, von welcher ein unbehandel ter Bahnteil 8 abgezogen ist. Mittels schwach bogen förmigen, mit wechselnder Richtung geführten Ein schnitten in die Bahn 9, welche einen zickzackför- mige.n Randschnitt ergeben, ist diese in dem darge stellten Beispiel in zwei gleichartige Hälften 10, 11 unterteilt.
Wenngleich die Verwerfungskraftlinien vornehm- lich bogenförmigen Verlauf zeigen und die Ein schnitte in die Bahn diesem: Verlauf möglichst ange- passt werden sollen, damit die Weiterverarbeitung einwandfrei und ohne Materialstauung verläuft, kön nen praktische Bedürfnisse (z. B. Vereinfachung der Werkzeuge) andere Formen der Einschnitte erfor derlich machen.
Als Beispiele für diese mehr kon struierten Formen sind in den Fig. 3, 4, 5, 6, 7 einige unterschiedliche Ausführungen angegeben.
Die Bahnteilung kann als Endphase der letzte. Beschichtung, der .adhäsiven Verbindung der Bahnen oder nachher, z. B. bei der Umwicklung, bewerk- stelligt werden. Die Zuschneidung der Bahnen auf die erforderlichen Abmessungen der anzufertigenden Hohlkörper kann in gleicher Weise durchgeführt werden. Es ist unerheblich, ob Rollen oder Stapel von Zuschnitten der Formung zugeführt werden.
Im zweiten Verfahrensschnitt erfolgt die For- mu ng. Zwecks Formung des flachen Materials zu einem Hohlkörper werden erfindungsgemäss die Zu- oder Abschnitte derart gerollt, dass-die beiden glatten Schnittkanten die Mantelnaht bilden und die Abwinkelung der gezackten Kante, je nach Konfiguration,
einen vollständigen oder einen unvollständigen stirnseitigen Abschluss ergibt, wobei sich die Zackenkanten im Extremfall fugenlos an- nähern.
In Fig. 8 ist die Bildung eines vollständigen seit lichen Abschlusses (Bodens) dargestellt. Die Bahn 10 mit Aden Zacken 9a wird derart um einen zy- lindrischen Dorn, 12 gerollt, dass die glatten Kanten 13 die Mantelnaht bilden und die Zacken 9a sich einander fugenlos annähern und die geschlossene, vollständige Bodenfläche 14 ergeben.
In Fig. 9 wird eine Zackenform 9b der Bahn 10 dangestellt, welche bei vollendeter Einrollung der Mantelfläche nur einen unvollständigen seitlichen Abschluss (Konus) ergibt.
Ein dauerhafter, fester Abschluss bildet sich erst nach der dichten Verbindung der Zackenkanten aus. Grundsätzlich sind hierbei zwei unterschiedliche Me thoden, sowie eine Kombination beider möglich, und zwar die Verbindung der Zackenkanten durch Schweissurig, Heissklebung benachbarter Kanten oder durch Flächenhaftung auf eingefügten oderkund vor fabrizierten Bestandteilen.
Für die Schweissurig benachbarter Kanten eignen sich z. B. einschichtige Metalle oder Mehrschicht- laminate mit thermoplastischen Schichten.
In beiden Fällen wird die Verbindung durch vorlübergehende Materialplastifizierung erzielt. Ein Unterschied be steht insofern, als bei dem mehrschichtigen Material aus der Schichtung so viel Thermoplast austreten muss, d.ass alle Nähte dicht, fest und dauerhaft ver bunden und zufällige Lücken eben ausgefüllt werden.
Wenn in, der Schichtung Material gespart werden soll, kann der erforderliche überschuss auch in Form einfies besonderen Bandes oder gestapelter Formzuschnitte zugeführt werden. Bei schweissbaren Einzelschichten genügt die Erweichung der Zackenkanten und eine kurze"ebnendie Druckeinwirkung.
Eine Flächenhaftung kann sicherheitshalber auch dann angewendet werden, wenn eine Verbindung ent lang der Kanten erfolgt. Sie ist unerlässlich, wenn die Annäherung der Zacken absichtlich nur unvoll ständig erfolgt, wie auf Fig. 9 dargestellt. In diesem Fall werden die Zacken mittels Heiss odtr/und Druckklebung z.
B. mit eingefügten und/oder vor- fabrizierten Bestandteilen verbuniden.
Ein, Beispiel für diese Art der Verbindung ist in Fig.10 dargestellt. Ein vorfabrizierter Konus 15, welcher auf einem Dorn 12 aufgesteckt ist, dient als Unterlage für die flächenmässige Anheftung der in Fig. 9 dargestellten Zacken 9b, welche noch durch eine ebenfalls angeheftete Abdeckrondelle 16, in diesem Fall von ebenfalls konischer Form, zu einer glatten: Fläche ergänzt werden.
Nach erfolgter Bildung eines seitlichen Abschlus ses wird der Hohlkörper durch einen allseitigen, kurzen Druck unter Wärmeeinwirkung (mechanisch, hydraulisch, pneumatisch, elektromagnetisch) auf den Dorn gepresst, wodurch die Stoffe verdichtet, die in den Schichten evtl. vorhandenen Spannungen ausge- glichen bzw. zweckmässig gerichtet werden und eine Reckurig des Hohlkörpers bewerkstelligt wird.
Je vollendeter die Konfigurationen der Zacken den Verwerfungskraftlinien des Materials bei der Abkantung angepasst sind, um so einfacher können die Einrichtungen zur Formung sein. Weil die Ka denzen der Formungseinrichtungen von den beweg ten Massen und dem zurückgelegten Weg der Werk zeuge abhängen, sind kurze Wege und kleine Massen Voraussetzungen für Einfachheit, Betriebssicherheit, geringe Anschaffungs- und Unterhaltskosten.
Sind für die Zacken Konfigurationen gewählt worden, welche die Stoffeigenschaften, bezogen auf den gedachten Durchmesser des Hohlkörpers ge bührend berücksichtigen und somit einen Material stau bei der Abkantung ausschliessen, ist es möglich, die Zacken durch einen geradlinig ausgeübten Druck in die Richtung der Längsachse des Hohlkörpers zu schliessen.
Hieraus folgt, dass im einfachsten Fall und von der Verbindungsarbeit abgesehen die Formung durch die Einrollung des Zuschnittes über einen Dorn zur Mantelfläche mittels Drehung und durch die lückenlose Annäherung der Zackenkanten zu einer geschlossenen Fläche mittels geradlinig ausgeübtem Druck und Abkantung der Zacken erfolgen kann.
Auf den Fig. 11 und 12 ist eine Einrichtung zur Formung der flachen, nach dem erfindungs gemässen Verfahren bearbeiteten Stoffbahnen zu Hohlkörpern dargestellt.
Als Ausführungsbeispiel wird die Formung eines zylindrischen Hohlkörpers mit konischem seitlichem Abschluss dargestellt. Fig.ll ist ein Querschnitt durch die Einrichtung. Ein zylindrischer Dorn 17 mit Saug- und Haftleiste 18 ist drehbar angeordnet. Er wird von drei Backen 19, 20, 21 unvolIständig umgeben. Die erste Backe 19 ist fest und bildet mit dem Dorn 17 einen feinen Spalt 22, welcher ein Durchziehen des einzurollenden Materials gerade noch gestattet.
Die zweite Backe 20 ist auf einer kurzen Strecke von wenigen Millimetern linear von und zu der ersten Backe 19 beweglich. Die dritte Backe 21 ist um das Gelenk 21a drehbar. Ein Materialzuschnitt 23 wird auf die Haft- oder Saug leiste 18 gebracht und bei geschlossener dritter Backe 21, aber, nicht eingerückter zweiter Backe 20 und bei Anlaufen des Dornes 17 in die Drehrichtung, mittels einer vollständigen Drehung derart gerollt,
dass bei Stillstand nach Umdrehung eine Oberlappung der Längskanten entsteht. Eine Schweissleiste 25 verschliesst die überlappung zu einer festen Naht. Die Schweissleiste rückt in. den Zwischenraum der ersten und dritten Backe 19 und 21 ein und kann diesen voIlständ@ig schliessen. Nach Andrücken der Backen ist der Materialzuschnitt, welcher bereits zu einem Rohr geformt und verbunden ist, fest umfasst und kann nötigenfalls durch Druck und,/oder Wärme gereckt werden.
Fig. 12 zeigt einen teilweisen Längsschnitt der ersten Backe 19 mit dem Dorn 17, dessen Vorderteil im dargestellten Beispiel konische Form hat und etwas hervorragt 26. Die Zacken 27 des Materials 23 stehen noch frei. Bei geradliniger Annäherung der Form 28 legen sich die richtig konstruierten Zacken 27 mit ihren Kanten fugenlos aneinander und können durch hinzutretende Wirkung (Wärme, Druck, elek trischer Impuls, kapazitive Aufladunig) an den Kanten der Zacken durch.
vorübergehende Plastifizierung mindestens einer Schicht der Kantenzone zu einer geschlossenen Fläche fest verbunden werden. Der zylindrische Hohlkörper mit einem vollständigen seit lichen Abschluss ist gebildet. Es ist hierbei unerheb lich, ob dieser seitliche Abschluss plan, konisch oder bombiert ausgeführt wird. Werkzeuge, Material und Einwirkungen müssen jeweils auf die konkrete Auf gabe berechnet und abgestimmt sein.
Die Hohlkörper, welche nach. dem vorgängig be schriebenen Verfahren und mittels der beispielsweise dargestellten Einrichtung angefertigt werden, sind dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche ohne Unterbruch der Materialfläche in den vollständigen oder unvollständigen seitlichen Abschluss übergeht und dieser seitliche Abschluss ohne Verlust oder Stauung von Material erzeugt wird.
Weil die Herstellungsart und das durch diese 'be dingte Aussehen der fertigen Hohlkörper eindeutig kennzeichnend, .auf den ersten Blick erkennbar und im Schnitt identifizierbar ist, erübrigt sich die Auf zählung verschiedener Ausführungsbeispiele.