EP4667207A2 - Flächenabschnitt aus faserhaltigem material, verfahren zur herstellung eines flächenabschnitts und verfahren zur herstellung von dreidimensionalen formteilen aus einem flächenabschnitt - Google Patents

Flächenabschnitt aus faserhaltigem material, verfahren zur herstellung eines flächenabschnitts und verfahren zur herstellung von dreidimensionalen formteilen aus einem flächenabschnitt

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EP4667207A2
EP4667207A2 EP25182716.8A EP25182716A EP4667207A2 EP 4667207 A2 EP4667207 A2 EP 4667207A2 EP 25182716 A EP25182716 A EP 25182716A EP 4667207 A2 EP4667207 A2 EP 4667207A2
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EP
European Patent Office
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area
forming
sections
surface section
fibrous material
Prior art date
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Cornelis Hendrikus Albertinus Decoz
Josef Strasser
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Kiefel GmbH
Original Assignee
Kiefel GmbH
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Publication date
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Publication of EP4667207A3 publication Critical patent/EP4667207A3/de
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Definitions

  • a surface section made of fibrous material for processing into a three-dimensional molded part by a forming process a method for producing a surface section made of fibrous material for processing into a three-dimensional molded part by a forming process, and a method for producing three-dimensional molded parts from a surface section made of fibrous material are described.
  • Sections of fibrous material can be formed into three-dimensional parts, such as food packaging (e.g., trays, capsules, boxes, lids, etc.) and consumer goods (e.g., electronic devices, etc.), through a forming process under pressure and temperature. Everyday objects, such as disposable cutlery and tableware, can also be manufactured from fibrous material. Fibrous materials include natural and synthetic fibers, with an increasing use of materials containing or consisting of natural fibers. These can be derived, for example, from renewable resources or recycled paper. Sections of fibrous material can consist of at least one layer of paper, cardboard, nonwoven fabric, or a nonwoven-like layer, such as airlaid, fluff pulp, compressed airlaid, and others. Such materials have a relatively low moisture content of up to approximately 30% by weight.
  • the forming of the aforementioned materials in a so-called dry thermoforming process is subject to significant limitations regarding formability due to the material properties of natural fibers in their dry state.
  • the maximum elongation, depending on the fibrous material used, is approximately 2-15% relative to the initial state.
  • fibrous materials exhibit poor flow behavior. This severely restricts the range of possible product geometries (depth, ribs, undercuts, draft angles ⁇ 10°, etc.) for products made from fibrous materials.
  • Paper in particular, can only be formed to a very limited extent, as it tends to tear easily when deformed.
  • the task is therefore to provide a solution that overcomes the disadvantages of the prior art and enables the forming of surface sections made of fiber-containing material, whereby no singulation of blanks from a surface section is necessary and high mold heights can be achieved in production, so that there are essentially no restrictions regarding the mold depth and product geometry in the production of three-dimensional molded parts in a "dry fiber" processing method.
  • a surface section made of fibrous material for processing into a three-dimensional molded part by a forming process wherein the surface section has at least one material layer, wherein the surface section has at least one forming area for forming to produce a three-dimensional molded part and at least one first area and at least one second area, wherein the at least one first area and the at least one second area extend circumferentially around at least a part of the at least one forming area, wherein the at least one first area has at least two sections in which the at least one material layer is completely separated, and the at least one second area has at least one section in which the at least one material layer is completely separated, and wherein the two sections of the at least one first area are separated from each other by a first connecting area, wherein the first connecting area between the sections of the at least one first area is located relative to the section of the at least one second area.
  • a surface section can be provided by an endless web of material or a sheet of material.
  • the at least one forming area within the surface section can remain with the rest of the surface section, e.g., in an endless web of material or a sheet of material, and be transported via the sections of the at least one first area and the at least one second area, even during and after forming, so that no separate transport is required.
  • individual blanks or molded parts are required, and on the other hand, the position of the blanks or molded parts, which are formed in the molding area, is maintained along the transport route.
  • the material of the surface area is separated, so that when the mold area is deformed, a "draw-in" of the fiber-containing material leads to a compensating movement by widening the sections.
  • at least two strips can be formed by deformation and the drawing in of material within the mold area, extending from at least one connection area between the sections of the first area to second connection areas on the mold area.
  • the relative arrangement of the first connection area between the sections of the at least one first area and the section of the at least one second area allows for compensation depending on the requirements and geometry of the molded part to be produced.
  • the sections of the first connection area can form strips of different lengths that share a common base in the connection area, so that the other ends of the strips connected to the mold area are displaced and positioned to varying degrees during forming.
  • the first connection area between the sections of the at least one first area can be located essentially centrally to the section of the at least one second area, so that strips of essentially equal length are formed.
  • Such embodiments can be used, for example, for the production of rotationally symmetrical molded parts.
  • a compensating movement of the material can occur only for a portion of a mold area by separating the fiber-containing material into two areas, as described above.
  • the first and second areas can have multiple sections, so that there are several first connection areas in the first area and several second connection areas in the second area. This allows, for example, for a forming process around the entire mold area to be carried out. Compensation is provided in the material, wherein the indentation in the mold area is substantially compensated by an enlargement between the first area and the second area, without deforming or indenting the part of the surface section surrounding the first area, and wherein the position of the mold area or mold part is substantially maintained.
  • At least one third area can also be provided, which is connected to the second area and the forming area according to the pattern described above, so that a reshaping of the forming area is compensated by an equalization between the areas.
  • the length of the section of at least one second area can be greater than the length of the sections of at least one first area.
  • Such embodiments can, for example, accommodate a special forming process in the forming area, where a stronger forming is required locally compared to adjacent areas.
  • the surface section can have an essentially flat extent. This allows the surface section to be easily transported and fed to different processing stations.
  • the at least one first area and the at least one second area can run essentially parallel to each other. This allows defined strips or webs to be formed between the first area and the formed area after shaping by leveling.
  • the at least one first area and the at least one second area can completely surround the forming area, taking into account material inward drafting during forming in the forming area, and in which no inward drafting occurs in the Surface sectioning, even with multiple mold areas, is carried out so that the position of the mold areas is maintained throughout the entire production process.
  • the length of the section of the at least one second area can be essentially 1.5 to 2.5 times the length of the sections of the at least one first area.
  • the at least one first region can have circumferential sections, each separated from the other by a first connecting section, wherein the at least one second region has circumferential sections, each separated from the other by a second connecting section. This allows for compensation in every direction during forming.
  • first connection areas can be located essentially centrally to the sections of the at least one second area, and the second connection areas can be located essentially centrally to the sections of the at least one first area. This allows for compensation via the resulting "strips," whereby the load is distributed evenly within the fiber-containing material.
  • the at least one forming area can have a three-dimensional forming part after forming, and an edge of the three-dimensional forming part can be connected via at least two strips to a material surrounding the at least one first area, wherein the strips are formed from the material which is located between the sections of the first area and the second area before forming.
  • the at least one first region and the at least one second region can be oriented according to a degree of deformation during the forming process to create the three-dimensional molded part, wherein the at least one first region and the at least one second region can, for example, extend essentially circularly, ovally, or polygonally.
  • the distance of the at least one first region and/or the at least one second region to a center point of the molded surface can remain constant or vary.
  • Separating the sections in the at least one first area and the at least one second area enables the formation of surface sections with preferably several forming areas, wherein the forming areas are separated from the remaining surface section in the at least one first area and at least one second area via the sections and remain connected after forming via webs or strips forming between them.
  • Separation can be achieved, for example, by punching with appropriate punching dies in a punching station located upstream of a forming station.
  • a station can have a combined punching and forming tool, where the tool is designed such that, during a closing movement, the sections are first punched, and during the subsequent movement, the forming process is initiated. This also facilitates the alignment of forming areas and parts, as the forming areas are no longer displaced relative to the tool after punching.
  • the process enables the formation of molded bodies with large mold depths (e.g., large mold heights) and simultaneously allows for easy transport of the surface section, whether as a track or arc, while also maintaining the positioning of mold areas, blanks, and formed molded parts across multiple stations and processing steps.
  • large mold depths e.g., large mold heights
  • the process for manufacturing three-dimensional molded parts allows for the formation of parts from a single surface section that exhibit no deviations from the specified form or from each other, because the position and orientation of the mold areas can be maintained and ensured throughout the entire manufacturing process. Furthermore, it is possible to form parts with more complex product geometries from a single surface section.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a surface section 10 made of fibrous material, which can be used as a starting material for the production of three-dimensional molded parts 40.
  • the fibrous material is a relatively dry material consisting of fibers, which are preferably of natural origin. This includes, but is not limited to, cellulose fibers.
  • the moisture content of the fibrous material can be, for example, between 3 and 40% by weight, preferably between 5 and 30%, and more preferably between 7 and 20% by weight.
  • the fibrous material or the surface section 10 can have at least one layer of airlaid, paper (e.g., kraft paper, crepe paper, etc.), fluff pulp, or another essentially nonwoven-like layer.
  • the surface section 10 or the fibrous material can, in further embodiments, have additives and/or a coating to achieve predefined properties (barrier properties, mechanical properties, coloring, etc.).
  • the surface section 10 can be fed for later processing as an endless web from a roll or as a sheet, whereby the respective feeding and dimensions of the surface section 10 may depend on the geometry of the molded parts 40 to be produced and the properties of the material.
  • surface section 10 has a substantially uniform thickness or material thickness.
  • the material thickness can, for example, range between 0.2 and 10 mm.
  • FIG. 1 A surface section 10 is shown, which has a shaped area 20 that is separated from the remaining material by a first area 22 and a second area 26.
  • the first area 22 has uniform sections 24 around its perimeter. In the In sections 24, the fibrous material is completely severed. Between sections 24, the fibrous material has webs 23, which serve as connection areas for the fibrous material between the forming area 20 and the remaining fibrous material. After forming, the webs 23 serve as connection points and must be designed and dimensioned according to the degree of forming, the material used, and the forces acting on the connection areas.
  • the second area 26 has uniform sections 28 around its perimeter. In sections 28, the fibrous material is completely severed, as in sections 24.
  • the fibrous material also has webs 27, which serve as connection areas for the fibrous material between the forming area 20 and the remaining fibrous material.
  • the webs 27 serve as connection points and must be designed and dimensioned according to the degree of forming, the material used, and the forces acting on the connection areas.
  • Sections 24 and 28 are concentric with each other and, in the illustrated embodiment, are uniformly spaced apart.
  • a first region 22 and a second region 26 can have sections that are not concentric with each other and/or only partially surround a molded area 20.
  • regions 22 and 26 can surround a molded area 20 with varying distances or not in a ring-like manner, with sections 24 and 28 also being oval or polygonal.
  • molded areas 20 can have other planar extents, as shown in the figures.
  • the material of surface section 10, which surrounds the forming area 20 and especially the first area 22, is not required for the formation of formed parts 40 and defines a holding area 11.
  • the holding area 11 serves, on the one hand, to transport the surface section 10 during manufacturing and to feed it to processing stations. Furthermore, the holding area 11 enables the precise positioning of forming areas 20 for forming. In particular, when several forming areas 20 are formed simultaneously in one forming station, all forming areas 20 can assume a defined position and can also be transported together into and out of the forming station via a transport system. For example, Several forming areas 20 are assigned exactly to the cavities of a forming tool to which they are assigned.
  • Sections 24 and 28 provide compensation during forming, enabling the forming area 20 to be transformed and transition from a planar extension to a three-dimensional extension, with a border 12 (see Fig. 2 ) in contrast, it is not displaced. This means that the deformation or reshaping of the forming area 20 has no effect on the holding area 11. This makes it possible to maintain the position of all parts of the surface section 10 with forming areas 20 even after forming, so that the forming areas 20 or forming parts 40 can be ejected together after forming and no individual removal is required. After forming, the surface section 10 with a large number of forming parts 40 can be removed from a forming tool together. The holding area 11 surrounding the forming parts 40 undergoes no or only negligible deformation.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of area section 10 of Fig. 1 Following a forming step, the incorporation of fibrous material during forming creates tabs 30 that extend from connection areas at the webs 23 between sections 24 in the first area 22 to connection areas at the webs 27 between sections 28 in the second area 26.
  • the offset arrangement of the webs 23 and 27 relative to each other enables a connection between the formed forming areas 20 or forming parts 40 and the holding area 11, whereby the position and orientation can be maintained because rotation of the forming areas 20 by the incorporation of fibrous material is prevented.
  • One reason for this is that there are several connection points between the forming part 40 or forming area 20 and the holding area 11, so that displacement can only occur in one forming direction.
  • the material in the forming area 20 is drawn towards the center to form a cup or a bowl. Therefore, the material intake is uniform and is laterally limited by the tabs 30 formed between sections 24 and 18.
  • the fiber-reinforced material of the tabs 30 can be stretched during further deformation.
  • the webs 23 and 27, and thus the length of sections 24 and 28, are positioned in areas 22 and 26 such that they are not subjected to high loads.
  • the width of the webs 23 and 27, as well as the distance between sections 24 and 28, must also be determined according to the material used and the degree of deformation.
  • shape areas 20 can also have other planar dimensions (e.g. oval, rectangular) and the shape of areas 22, 26 and the length of sections 24, 28 can vary. This also applies in particular to the length of sections 24, 28 of an area 22, 26 relative to each other.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a surface section 10 made of fibrous material for the production of three-dimensional molded parts 40 after a stamping step with a plurality of forming areas 20.
  • the surface section 10 shown can represent an area that can be formed simultaneously in a mold.
  • Such a mold has a tool table or tool plate with a corresponding number of cavities and a corresponding tool part that presses the fibrous material of the forming areas 20 into the cavities and thereby forms it.
  • the forming process is usually carried out under high pressure in the range of 100 N/ cm2 to 10,000 N/ cm2 , e.g. in the range of 400 N/ cm2 to 800 N/ cm2 , and temperatures from 80 °C to 300 °C, especially at temperatures in the range of 120 °C to 250 °C.
  • the pattern shown for the individual areas corresponds to the one in Fig. 1
  • the embodiment shown is possible, but may differ in other embodiments, particularly when other molded parts are to be manufactured.
  • surface sections 10 with multiple or fewer forming areas 20 can be formed.
  • the separation of sections 24 and 28 is generally carried out in a step preceding the forming process using a stamping tool.
  • a tool can be used.
  • the tool includes both cutting dies for punching or cutting sections 24 and 28, as well as forming tools (e.g., a cavity and a die).
  • forming tools e.g., a cavity and a die.
  • the cutting dies can, for example, extend from a tool surface so that they first come into contact with the fibrous material and cut through it in sections 24 and 28. Subsequently, the cutting dies can retract mechanically, pneumatically, or electrically, allowing further movement of the tool halves to perform forming without the cutting dies protruding into the forming area of the tool.
  • Fig. 4 shows a schematic representation of area section 10 of Fig. 3 after a transformation step. Analogous to the representation of area section 10 of Fig. 3
  • the position and spacing of the molded parts 40, as well as the distance between the edges 12 of the first areas 22, are shown in an exemplary embodiment. In other embodiments, the distance between the edges 12 can be significantly smaller, so that only one holding structure is provided. The distance to the edge areas of the surface section 10 can also differ from that shown in other embodiments. It is also possible to increase the distances, for example, to provide a sufficiently large holding area between the molded parts 40 or molded areas 20. The holding area allows the surface section 10 to be held away from the molded areas 20 during forming, so that no inward pull-in of the fiber-containing material is possible. Therefore, the fiber-containing material in the holding area 11 is not deformed.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a process for producing three-dimensional molded parts 40 from a surface section 10 made of fiber-containing material.
  • a surface section 51 made of fibrous material is provided.
  • the surface section 10 can, for example, comprise kraft paper, airlaid, fluff pulp, crepe paper, nonwoven fiber material, or other fibrous material.
  • the fibrous material can, in particular, comprise at least one layer of such material as described above.
  • a fibrous material can be formed by several layers.
  • the fibrous material can comprise cellulose fibers.
  • the provision of the surface section 10 can further include a step in the production of the surface section 10, whereby fibrous material is produced from a starting material (e.g., shredding and joining (e.g., airlaid)).
  • the surface section 10 can be provided as a sheet of material or as a continuous web, e.g., on a roll.
  • At least one surface section 10 is inserted 52 or continuously or discontinuously (e.g., in cycles) into a punching station, where punching 53 of the surface section 10 is performed.
  • Punching patterns can be introduced into the fiber-containing material, as described above in various configurations.
  • Punching patterns surround forming areas 20 for subsequent forming 54 over at least one first area 22 and at least one second area 26, each of which has sections 24, 28.
  • After punching 53, at least one surface section 10 has completely severed sections 24, 28 in areas 22, 26.
  • forming 54 takes place, whereby the previously punched surface section 10 is formed either in a combined punching and forming tool or in a forming tool downstream of the punching station.
  • forming areas 20 are transformed, whereby the fibrous material is transformed from its essentially planar extent into a three-dimensional shape by means of a forming tool 60.
  • a compensating movement must be provided in the surface section 10 due to the slippage or pulling of the fibrous material during forming. This compensating movement is achieved by releasing the fibrous material previously separated in sections 24 and 28.
  • the connection between a holding area 11 of the fibrous material in surface section 10 and the forming area 20, which is transformed into a molded part 40, remains only in connection areas or webs 23 and 27, which are connected to each other via tabs 30.
  • the tabs 30 allow a displacement of the forming area 20 without causing compression, stretching or elongation of the fiber-containing material, particularly in the holding area 11, so that the position and orientation of all forming areas 20 in a forming tool for the simultaneous forming of several forming areas 20 in a surface section 10 remains unchanged.
  • the fiber-containing material is only formed in the forming area 20 and is forced through the forming tool under high pressure and temperature between The mold surfaces are pressed together in a cavity of the mold tool. Only the fiber-containing material in mold area 20 can be partially compressed, stretched, and expanded.
  • the formed part 55 of the molded area 20 or the molded parts 40 are ejected, whereby the ejection 55 of molded parts 40 of a surface section 10 occurs simultaneously.
  • the holding area 11 is not formed, compressed, or stretched, so that a feed mechanism for the forming process does not need to be considered.
  • a feed through the stations (at least punching, forming, etc.) of a molding system can be achieved via rollers, grippers, tongs, or clamps.
  • Further processing 56 can include, for example, printing, filling, coating, etc.
  • 57 of the molded parts 40 are separated from the surface section 10 in a further punching station using a punching tool, whereby the connection via the tabs 30 between the molded parts 40 and the holding area 11 is severed.
  • the separation takes place in the connection areas of the webs 27, so that fiber material does not protrude from the finished product.
  • an edge of the molded parts 40 can be punched, whereby an outer circumferential edge area is completely separated.
  • FIG. 6 Figure 1 shows a schematic representation of a section of a forming tool 60 during the forming of fibrous material.
  • the forming tool 60 has a first lower tool part 62 with at least one cavity 64 and an upper second tool part 68 with a forming punch 69, wherein during forming 54 the fibrous material is compressed between the forming surfaces of the cavity 64 and the forming punch 69.
  • At least the upper tool part 68 or the lower tool part 62 can be heated by a heating device (not shown) in order to achieve or support the bonding of the fibrous material during compression for forming.
  • a forming tool 60 can in particular have several cavities 64 and corresponding forming dies 69, so that several molded parts 40 can be produced simultaneously in a pressing operation.
  • the upper tool part 68 has clamping areas 67 which serve to hold the fibrous material in holding areas 11 when the forming tool 60 is closed, so that there is no displacement or deformation of the fibrous material there.
  • the tabs 30 are located outside the cavity 64 when the forming tool 60 is closed and in the closed state.
  • the tabs 30 are not clamped during forming and closing of the forming tool 60, allowing them to perform a compensating movement.
  • cavities 64 can have areas for the tabs 30, as shown by the dashed lines.
  • the mold 60 can, for example, be installed in a fiber molding plant for the production of three-dimensional products from a fibrous material.
  • the fiber molding plant can produce products that are biodegradable and can themselves serve as raw material for the production of three-dimensional molded parts 40 from a fibrous material and can be composted, because they can generally be completely decomposed and do not contain any hazardous substances.
  • Molded parts 40 can be designed, for example, as cups, lids, bowls, capsules, plates, and other molded and/or packaging parts (e.g., as holders/support structures for electronic or other devices).
  • a fiber molding plant can have additional stations and equipment. For example, a supply for fibrous material can be provided. In further embodiments, a mill can be provided for the comminution of a raw material and for the separation of fibers, which are then further processed as a surface section 10.

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Abstract

Es werden ein Flächenabschnitt aus faserhaltigem Material für die Verarbeitung zu einem dreidimensionalen Formteil durch einen Umformprozess, ein Verfahren zur Herstellung eines Flächenabschnitts aus faserhaltigem Material für die Verarbeitung zu einem dreidimensionalen Formteil durch einen Umformprozess, und ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Formteilen aus einem Flächenabschnitt aus faserhaltigem Material beschrieben, wobei mittels einer definierten Trennung des faserhaltigen Materials vor dem Umformen der Umformungsgrad bei Flächenabschnitten wesentlich erhöht werden kann.

Description

    Technisches Gebiet
  • Es werden ein Flächenabschnitt aus faserhaltigem Material für die Verarbeitung zu einem dreidimensionalen Formteil durch einen Umformprozess, ein Verfahren zur Herstellung eines Flächenabschnitts aus faserhaltigem Material für die Verarbeitung zu einem dreidimensionalen Formteil durch einen Umformprozess, und ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Formteilen aus einem Flächenabschnitt aus faserhaltigem Material beschrieben.
  • Flächenabschnitte aus faserhaltigem Material kann in einem Umformprozess unter Druck und Temperatureinwirkung zu dreidimensionalen Formteilen, wie bspw. Verpackungen für Lebensmittel (bspw. Schalen, Kapseln, Boxen, Deckel, etc.) und Konsumgüter (bspw. elektronische Geräte etc.), umgeformt werden. Auch Alltagsgegenstände, wie bspw. Einwegbesteck und -geschirr, kann aus faserhaltigem Material hergestellt werden. Faserhaltige Materialien umfassen natürliche Fasern oder künstliche Fasern, wobei in letzter Zeit vermehrt faserhaltiges Material eingesetzt wird, welches Naturfasern aufweist oder aus solchen besteht. Diese können bspw. aus nachwachsenden Rohstoffen oder Altpapier gewonnen werden. Flächenabschnitte aus faserhaltigem Material können bspw. mindestens eine Lage bzw. Schicht aus Papier, Karton, Vlies oder eine vliesartige Schicht, wie bspw. ein sogenanntes Airlaid oder Fluff Pulp, compressed Airlaid und weitere umfassen. Derartige Materialien weisen einen relativ geringen Feuchtigkeitsgehalt von etwa bis zu 30 Gew.-% Wasser auf.
    • Hintergrund
  • Die Umformung der vorstehend genannten Materialien in einem sogenannten Dry-Thermoform-Prozess unterliegen jedoch wesentlichen Einschränkungen im Hinblick auf das Formungsvermögen, aufgrund der stofflichen Eigenschaften von Naturfasern im trockenen Zustand. Die maximale Dehnung liegt dabei in Abhängigkeit des verwendeten faserhaltigen Materials bei ca. 2-15% bezogen auf den Ausgangszustand. Darüber hinaus weist faserhaltiges Material ein schlechtes Fließverhalten auf. Damit ist das Spektrum möglicher Produktgeometrien (Tiefe, Rippen, Hinterschnitte, Formschrägen <10°, etc.) für Erzeugnisse aus einem faserhaltigen Material stark eingeschränkt. Insbesondere Papier lässt sich nur sehr eingeschränkt verformen, da dieses bei Verformung leicht zu reißen beginnt.
  • Die Herstellung von Erzeugnissen aus einem faserhaltigen Material ist bspw. aus WO 2017/160218 A1 bekannt.
  • Bei der Herstellung von Formteilen durch Dry-Fiber-Thermoformen ist daher oftmals ein Einzug des um die Form liegenden Materials notwendig, da die Dehnbarkeit des Materials in der Regel nicht ausreicht. Das gilt sowohl für Papier als auch Airlaid, Kraftpapier oder ähnliche aus Naturfaser bestehende Materialien. Insbesondere wenn mehrere Produkte bzw. Formteile gleichzeitig aus einem Bogen oder aus einer Bahn geformt werden sollen, müssen diese zuvor aus dem Bogen oder Bahn ausgeschnitten/gestanzt werden (Vorschneiden). Dadurch wird jedoch der Ausschnitt (Rohling), welcher anschließend zum Formteil geformt wird, von der Bahn bzw. vom Bogen komplett getrennt. Dies hat zur Folge, dass der Rohling bzw. später das geformte Produkt beim Weitertransport in einer Maschine separat gehandelt werden muss.
  • Ein separates Handling ist jedoch sehr aufwendig und mit hohen Kosten verbunden. Zudem geht die einzelne Entnahme von geformten Formteilen zu Lasten der Herstellungszeit, da die einzelne Entnahme nicht mit der Geschwindigkeit arbeiten kann, wie bspw. ein System für einen endlosen Vorschub (z.B. Rollenvorschub). Weiterhin muss Handling System in und aus einer Formstation bewegt werden, wodurch ein großer Investitionsaufwand durch ein separates und komplizierteres Transportsystem besteht. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Positionierung von einzelnen Rohlingen bzw. Produkten schwieriger ist, da die Ausschnitte bzw. Produkte nicht mehr durch eine Bahn bzw. einen Bogen positioniert werden.
    • Aufgabe
  • Es besteht daher die Aufgabe darin eine Lösung anzugeben, welche die Nachteile des Stands der Technik behebt und ein Umformen von Flächenabschnitten aus faserhaltigem Material ermöglicht, wobei keine Vereinzelung von Rohlingen aus einem Flächenabschnitt notwendig ist und zudem hohe Formhöhen bei der Herstellung realisiert werden können, so dass im Wesentlichen keine Einschränkungen hinsichtlich der Formtiefe und Produktgeometrie bei der Herstellung von dreidimensionalen Formteilen in einem "Dry-Fiber"-Verarbeitungsverfahren bestehen.
    • Lösung
  • Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch einen Flächenabschnitt aus faserhaltigem Material für die Verarbeitung zu einem dreidimensionalen Formteil durch einen Umformprozess gelöst, wobei der Flächenabschnitt mindestens eine Materialschicht aufweist, wobei der Flächenabschnitt mindestens einen Formbereich für ein Umformen zur Herstellung eines dreidimensionalen Formteils und mindestens einen ersten Bereich und mindestens einen zweiten Bereich aufweist, wobei sich der mindestens eine erste Bereich und der mindestens eine zweite Bereich umfangsseitig gemeinsam um mindestens einen Teil des mindestens einen Formbereichs erstrecken, wobei der mindestens eine erste Bereich mindestens zwei Abschnitte aufweist, in denen die mindestens eine Materialschicht vollständig getrennt ist, und der mindestens eine zweite Bereich mindestens einen Abschnitt aufweist, in dem die mindestens eine Materialschicht vollständig getrennt ist, und wobei die beiden Abschnitte des mindestens einen ersten Bereichs über einen ersten Verbindungsbereich voneinander getrennt sind, wobei der erste Verbindungsbereich zwischen den Abschnitten des mindestens einen ersten Bereichs sich relativ zu dem Abschnitt des mindestens einen zweiten Bereichs befindet.
  • Ein Flächenabschnitt kann durch eine endlose Materialbahn oder einen Materialbogen bereitgestellt werden. Der mindestens eine Formbereich innerhalb des Flächenabschnitts kann durch die Abschnitte des mindestens einen ersten Bereichs und des mindestens einen zweiten Bereichs auch während eines Umformens und nach dem Umformen mit dem restlichen Flächenabschnitt, bspw. in einer endlosen Materialbahn oder einem Materialbogen verbleiben und hierüber transportiert werden, so dass zum einen kein separater Transport vereinzelter Rohlinge bzw. Formteile erforderlich ist und zum anderen die Position der Rohlinge bzw. Formteile, welche im Formbereich ausgebildet werden, entlang der Transportstrecke beibehalten wird.
  • In den Abschnitten ist das Material des Flächenabschnitts getrennt, so dass bei einer Umformung des Formbereichs ein "Einziehen" des faserhaltigen Materials zu einer Ausgleichsbewegung führt, indem die Abschnitte aufgeweitet werden, wobei dabei eine Verbindung in Form von Streifen oder dergleichen zwischen einem Rand des Formbereichs bzw. des Formteils und einem den ersten Bereich umgebenden Teil des Flächenabschnitts besteht. Es können durch das Umformen und das Einziehen von Material im Formbereich bspw. mindestens zwei Streifen gebildet werden, die sich vom mindestens einen Verbindungsbereich zwischen den Abschnitten des ersten Bereichs bis hin zu zweiten Verbindungsbereichen am Formbereich erstrecken.
  • Die relative Anordnung des ersten Verbindungsbereichs zwischen den Abschnitten des mindestens einen ersten Bereichs zu dem Abschnitt des mindestens einen zweiten Bereichs ermöglicht einen Ausgleich je nach Anforderung und Geometrie des herzustellenden Formteils. Bspw. können damit die Abschnitte des ersten Verbindungsbereichs unterschiedlich lange Streifen ausbilden, die im Verbindungsbereich eine gemeinsame Basis aufweisen, so dass die anderen mit dem Formbereich verbundenen Enden der Streifen unterschiedlich stark verlagert und positioniert werden, wenn ein Umformen erfolgt.
  • In weiteren Ausführungen kann sich der erste Verbindungsbereich zwischen den Abschnitten des mindestens einen ersten Bereichs im Wesentlichen mittig zu dem Abschnitt des mindestens einen zweiten Bereichs befinden, so dass im Wesentlichen in etwa gleich lange Streifen gebildet werden. Solche Ausführungen können bspw. für die Herstellung von rotationssymmetrischen Formteilen vorgesehen sein.
  • In einer Ausführung kann bspw. nur für einen Teil eines Formbereichs eine Ausgleichsbewegung des Materials durch ein Trennen des faserhaltigen Materials in zwei Bereichen erfolgen, wie vorstehend beschrieben. In weiteren Ausführungen können erste und zweite Bereiche mehrere Abschnitte aufweisen, so dass mehrere erste Verbindungsbereiche im ersten Bereich und zweite Verbindungsbereiche im zweiten Bereich bestehen. Damit kann bspw. bei einem Umformen um den gesamten Formbereich herum ein Ausgleich im Material bereitgestellt werden, wobei der Einzug im Formbereich im Wesentlichen durch eine Vergrößerung zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich ausgeglichen wird, ohne dass der den ersten Bereich umgebende Teil des Flächenabschnitts verformt bzw. eingezogen wird, und wobei die Position des Formbereichs bzw. Formteils im Wesentlichen beibehalten wird.
  • In noch weiteren Ausführungen kann auch mindestens ein dritter Bereich vorgesehen sein, der entsprechend dem vorstehend beschriebenen Muster mit dem zweiten Bereich und dem Formbereich verbunden ist, so dass eine Umformung des Formbereichs durch einen Ausgleich zwischen den Bereichen kompensiert wird.
  • Somit lassen sich insbesondere große Formhöhen realisieren, da, je nach Ausbildung der Bereiche, auch ein starkes Einziehen von Material im Formbereich erzielt werden kann, ohne dass der Flächenabschnitt außerhalb des Formbereichs und des ersten bzw. zweiten Bereichs eingezogen oder verformt wird.
  • In weiteren Ausführungen kann dabei eine Länge des Abschnitts des mindestens einen zweiten Bereichs größer sein, wie eine Länge der Abschnitte des mindestens einen ersten Bereichs. Solche Ausführungen können bspw. einer speziellen Umformung im Formbereich Rechnung tragen, wobei lokal eine gegenüber benachbarten Bereichen stärkere Umformung erforderlich ist.
  • In weiteren Ausführungen kann der Flächenabschnitt eine im Wesentlichen ebene Erstreckung aufweisen. Damit kann der Flächenabschnitt einfach transportiert und verschiedenen Bearbeitungsstationen zugeführt werden.
  • In weiteren Ausführungen können der mindestens eine erste Bereich und der mindestens eine zweiten Bereich im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Damit lassen sich nach dem Umformen durch den Ausgleich definierte Streifen bzw. Stege zwischen dem ersten Bereich und dem Formbereich ausbilden.
  • In weiteren Ausführungen können der mindestens eine erste Bereich und der mindestens eine zweite Bereich den Formbereich vollständig umgeben, wobei einem Materialeinzug beim Umformen im Formbereich Rechnungen getragen wird, und wobei kein Einzug im Flächenabschnitt, auch bei mehreren Formbereichen erfolgt, so dass die Position der Formbereiche während der gesamten Herstellung beibehalten bleibt.
  • In weiteren Ausführungen kann eine Länge des Abschnitts des mindestens einen zweiten Bereichs im Wesentlichen das 1,5 bis 2,5-fache einer Länge der Abschnitte des mindestens einen ersten Bereichs aufweisen.
  • In weiteren Ausführungen kann der mindestens eine erste Bereich umlaufend Abschnitte aufweisen, die jeweils über einen ersten Verbindungsbereich voneinander getrennt sind, wobei der mindestens eine zweite Bereich umlaufend Abschnitte aufweist, die jeweils über einen zweiten Verbindungsbereich voneinander getrennt sind. Damit kann bei einer Umformung ein Ausgleich in jeder Richtung bereitgestellt werden.
  • In weiteren Ausführungen können die ersten Verbindungsbereiche sich im Wesentlichen mittig zu den Abschnitten des mindestens einen zweiten Bereichs und die zweiten Verbindungsbereiche sich im Wesentlichen mittig zu den Abschnitten des mindestens einen ersten Bereichs befinden. Damit lässt sich ein Ausgleich über die dabei entstehenden "Streifen" erreichen, wobei die Belastung im faserhaltigen Material sich gleichmäßig verteilt.
  • In weiteren Ausführungen kann der mindestens eine Formbereich nach einem Umformen ein dreidimensionales Formteil aufweisen und ein Rand des dreidimensionalen Formteils über mindestens zwei Streifen mit einem den mindestens einen ersten Bereich umgebenden Material verbunden sein, wobei die Streifen aus dem Material gebildet sind, welches sich vor dem Umformen zwischen den Abschnitten des ersten Bereichs und des zweiten Bereichs befindet.
  • In weiteren Ausführungen können der mindestens eine erste Bereich und der mindestens eine zweite Bereich nach Maßgabe eines Umformgrades bei der Umformung zur Ausbildung des dreidimensionalen Formteils ausgerichtet sein, wobei der mindestens eine erste Bereich und der mindestens eine zweite Bereich sich bspw. im Wesentlichen kreisförmig, oval oder polygonal erstrecken können. In weiteren Ausführungen kann der Abstand des mindestens einen ersten Bereichs und/oder des mindestens einen zweiten Bereichs zu einem Mittelpunkt der Formfläche gleichbleiben oder variieren.
  • Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur Herstellung eines Flächenabschnitts aus faserhaltigem Material für die Verarbeitung zu einem dreidimensionalen Formteil durch einen Umformprozess gelöst, wobei der Flächenabschnitt mindestens eine Materialschicht aufweist, aufweisend folgende Schritte:
    • Bereitstellen mindestens eines Flächenabschnitts aus faserhaltigem Material, und
    • Trennen des faserhaltigen Materials in mindestens einem ersten Bereich und in mindestens einem zweiten Bereich, wobei der mindestens eine erste Bereich mindestens zwei Abschnitte aufweist, und der mindestens eine zweite Bereich mindestens einen Abschnitt aufweist, wobei die beiden Abschnitte des mindestens einen ersten Bereichs über einen ersten Verbindungsbereich voneinander getrennt sind.
  • Das Trennen der Abschnitte in dem mindestens einen ersten Bereich und dem mindestens einen zweiten Bereich ermöglicht die Ausbildung von Flächenabschnitten mit vorzugsweise mehreren Formbereichen, wobei die Formbereiche jeweils in dem mindestens einen ersten Bereich und mindestens einen zweiten Bereich über die Abschnitte vom restlichen Flächenabschnitt getrennt sind und über sich dazwischen ausbildende Stege oder Streifen nach einem Umformen verbunden bleiben.
  • Das Trennen kann bspw. durch ein Stanzen mit entsprechenden Stanzmessern in einer Stanzstation erfolgen, die einer Umformstation vorgelagert ist. In weiteren Ausführungen kann eine Station ein kombiniertes Werkzeug zum Stanzen und Umformen aufweisen, wobei das Werkzeug so ausgebildet ist, dass bei einer Schließbewegung zunächst ein Stanzen der Abschnitte durchgeführt wird und bei der weiteren Bewegung der Umformprozess eingeleitet wird. Damit kann zusätzlich die Ausrichtung von Formbereichen und Formteilen erleichtert werden, da die Formbereiche nach dem Stanzen gegenüber dem Werkzeug nicht mehr verlagert werden.
  • Durch das Verfahren wird die Ausbildung von Formkörpern mit großen Formtiefen (bspw. großen Formhöhen) und gleichzeitig ein einfacher Transport des Flächenabschnitts, gleich ob als Bahn oder Bogen, ermöglicht, wobei zusätzlich die Positionierung von Formbereichen, Rohlingen und geformten Formteilen über mehrere Stationen und Bearbeitungsschritte hinweg aufrechterhalten werden kann.
  • Ferner stellen sich die vorstehend beschriebenen Vorteile in Bezug auf den Flächenabschnitt in entsprechender Weise auch bei dem Verfahren zum Herstellen von solchen Flächenabschnitten ein.
  • Weiter wird die vorstehend genannte Aufgabe auch durch ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Formteilen aus einem Flächenabschnitt aus faserhaltigem Material gemäß einer der vorstehend beschriebenen Ausführungen gelöst, aufweisend die folgenden Schritte:
    • Bereitstellen eines Flächenabschnitts aus faserhaltigem Material mit mindestens einer Materialschicht, aufweisend mindestens einen Formbereich und mindestens einen ersten Bereich und mindestens einen zweiten Bereich, wobei der mindestens eine erste Bereich und der mindestens eine zweite Bereich sich umfangsseitig gemeinsam um mindestens einen Teil des mindestens einen Formbereichs erstrecken, wobei der mindestens eine erste Bereich mindestens zwei Abschnitte aufweist, in denen die mindestens eine Materialschicht vollständig getrennt ist, und der mindestens eine zweite Bereich mindestens einen Abschnitt aufweist, in dem die mindestens eine Materialschicht vollständig getrennt ist, und wobei die beiden Abschnitte des mindestens einen ersten Bereichs über einen ersten Verbindungsbereich voneinander getrennt sind, und
    • Umformen des Formbereichs, wobei das faserhaltige Material im Formbereich aus einer im Wesentlichen ebenen Erstreckung mindestens lokal dreidimensional unter Ausbildung eines Formteils verformt wird, wobei der Abstand zwischen dem mindestens zwei Abschnitten des mindestens einen ersten Bereichs und dem mindestens einen Abschnitt des mindestens einen zweiten Bereichs vergrößert und mindestens ein Freiraum zwischen dem ersten Verbindungbereich und einem Rand des Formteils erzeugt wird.
  • Durch das Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Formteilen können Formteile aus einem Flächenabschnitt geformt werden, die im Hinblick auf deren Ausformung keine Abweichungen von Formvorgaben und zueinander aufweisen, weil die Position und Ausrichtung von Formbereichen über den gesamten Herstellungsprozess beibehalten und sichergestellt werden kann. Darüber hinaus ist es möglich, Formteile mit komplexeren Produktgeometrien aus einem Flächenabschnitt zu formen.
  • Die vorstehenden Ausführungen für einen Flächenabschnitt und ein Verfahren zur Herstellung von Flächenabschnitten gelten in entsprechender Weise für das Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Formteilen aus einem Flächenabschnitt.
  • Weitere Merkmale, Ausgestaltungen und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Darstellung von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren.
    • Kurzbeschreibung der Figuren
  • In den Zeichnungen zeigt:
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung eines Flächenabschnitts aus faserhaltigem Material für die Herstellung von dreidimensionalen Formteilen nach einem Stanzschritt;
    Fig. 2
    eine schematische Darstellung des Flächenabschnitts von Fig. 1 nach einem Umformschritt;
    Fig. 3
    eine schematische Darstellung eines Flächenabschnitts aus faserhaltigem Material für die Herstellung von dreidimensionalen Formteilen nach einem Stanzschritt mit einer Vielzahl an Formbereichen;
    Fig. 4
    eine schematische Darstellung des Flächenabschnitts von Fig. 3 nach einem Umformschritt;
    Fig. 5
    eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung von dreidimensionalen Formteilen aus einem Flächenabschnitt aus faserhaltigem Material; und
    Fig. 6
    eine schematische Darstellung eines Ausschnitts eines Formwerkzeugs beim Umformen von faserhaltigem Material.
    Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
  • Nachfolgend werden mit Bezug auf die Figuren Ausführungsbeispiele der hierin beschriebenen technischen Lehre dargestellt. Für gleiche Komponenten, Teile und Abläufe werden in der Figurenbeschreibung gleiche Bezugszeichen verwendet. Für die hierin offenbarte technische Lehre unwesentliche oder für einen Fachmann sich erschließende Komponenten, Teile und Abläufe werden nicht explizit wiedergegeben. Im Singular angegebene Merkmale sind auch im Plural mitumfasst, sofern nicht explizit etwas anderes ausgeführt ist. Dies betrifft insbesondere Angaben wie "ein" oder "eine".
  • Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Flächenabschnitts 10 aus faserhaltigem Material, welcher als Ausgangsmaterial für die Herstellung von dreidimensionalen Formteilen 40 verwendet werden kann. Bei dem faserhaltigen Material handelt es sich um verhältnismäßig trockenes Material aus Fasern, wobei die Fasern vorzugsweise natürlichen Ursprungs sind. Hierzu zählen insbesondere aber nicht abschließend Zellulosefasern. Der Feuchtegehalt des faserhaltigen Materials kann bspw. zwischen 3 und 40, vorzugsweise zwischen 5 und 30, mehr bevorzugt zwischen 7 und 20 Gew.-% Wasser liegen. Das faserhaltige Material bzw. der Flächenabschnitt 10 können mindestens eine Lage bzw. Schicht aus einem Airlaid, einem Papier (bspw. Kraftpapier, Krepp, etc.), einem Fluffpulp oder einer anderen im Wesentlichen vliesartigen Schicht aufweisen. Der Flächenabschnitt 10 oder das faserhaltige Material können in weiteren Ausführungen Zusätze und/oder eine Beschichtung aufweisen, um vorgebbare Eigenschaften (Barriere, mechanische Eigenschaften, Farbgebung, etc.) zu erreichen.
  • Der Flächenabschnitt 10 kann für eine spätere Verarbeitung als endlose Bahn von einer Rolle oder als Bogen zugeführt werden, wobei die jeweilige Zuführung und Abmaße des Flächenabschnitts 10 von der Geometrie der herzustellenden Formteile 40 und den Eigenschaften des Materials abhängen kann.
  • Der Flächenabschnitt 10 weist in der gezeigten Ausführungsform eine im Wesentlichen gleichmäßige Dicke bzw. Materialstärke auf. Die Materialstärke kann je nach Anzahl an Lagen und verwendeten Material bzw. Ausbildung bspw. zwischen 0,2 und 10 mm liegen.
  • In Fig. 1 ist ein Flächenabschnitt 10 gezeigt, welcher einen Formbereich 20 aufweist, der vom restlichen Material über einen ersten Bereich 22 und einen zweiten Bereich 26 getrennt ist. Der erste Bereich 22 weist umlaufend gleichmäßige Abschnitte 24 auf. In den Abschnitten 24 ist das faserhaltige Material vollständig durchtrennt. Zwischen den Abschnitten 24 weist das faserhaltige Material Stege 23 auf, die als Verbindungsbereiche für das faserhaltige Material zwischen dem Formbereich 20 und dem restlichen faserhaltigen Material dienen. Die Stege 23 dienen nach einem Umformen als Verbindungstelle und sind je nach Umformungsgrad, verwendetem Material sowie der auf die Verbindungsbereiche wirkenden Kräfte auszulegen und zu dimensionieren. Der zweite Bereich 26 weist umlaufend gleichmäßige Abschnitte 28 auf. In den Abschnitten 28 ist das faserhaltige Material wie bei den Abschnitten 24 vollständig durchtrennt. Zwischen den Abschnitten 28 weist das faserhaltige Material zudem Stege 27 auf, die als Verbindungsbereiche für das faserhaltige Material zwischen dem Formbereich 20 und dem restlichen faserhaltigen Material dienen. Die Stege 27 dienen nach einem Umformen als Verbindungstelle und sind je nach Umformungsgrad, verwendetem Material sowie der auf die Verbindungsbereiche wirkenden Kräfte auszulegen und zu dimensionieren.
  • Die Abschnitte 24 und 28 verlaufen konzentrisch zueinander und weisen im gezeigten Ausführungsbeispiel einen gleichmäßigen Abstand auf. In weiteren nicht dargestellten Ausführungsformen können ein erster Bereich 22 und ein zweiter Bereich 26 Abschnitte aufweisen, die nicht konzentrisch zueinander verlaufen und/oder nur abschnittsweise einen Formbereich 20 umgeben. Dabei können in weiteren Ausführungen Bereiche 22, 26 einen Formbereich 20 mit variierendem Abstand oder nicht ringartig umgeben, wobei Abschnitte 24, 28 auch oval oder polygonal angeordnet sein können. Ebenso können in weiteren Ausführungen Formbereiche 20 andere flächige Erstreckungen aufweisen, wie in den Figuren gezeigt.
  • Das Material des Flächenabschnitts 10, welches den Formbereich 20 und insbesondere den ersten Bereich 22 umgibt, wird für die Ausbildung von Formteilen 40 nicht benötigt und definiert einen Haltebereich 11. Der Haltebereich 11 dient einerseits dazu, den Flächenabschnitt 10 bei der Herstellung zu transportieren und Bearbeitungsstationen zuzuführen. Ferner ermöglicht der Haltebereich 11 eine exakte Positionierung von Formbereichen 20 für ein Umformen, wobei insbesondere bei der gleichzeitigen Umformung mehrerer Formbereiche 20 in einer Umformstation alle Formbereiche 20 eine definierte Position einnehmen können und zudem gemeinsam über eine Transportsystem in die Umformstation eingebracht und aus dieser herausgeführt werden können. Bspw. können mehrere Formbereiche 20 exakt zu den ihnen zugeordneten Kavitäten eines Formwerkzeugs zugeordnet werden.
  • Durch die Abschnitte 24, 28 kann bei einem Umformen ein Ausgleich bereitgestellt werden, der es ermöglicht, dass der Formbereich 20 umgeformt wird und aus der flächigen Erstreckung in eine dreidimensionale Erstreckung übergeht, wobei ein Rand 12 (siehe Fig. 2) demgegenüber nicht verlagert wird. D.h. die Ver- bzw. Umformung des Formbereichs 20 hat keine Auswirkung auf den Haltebereich 11. Dies ermöglicht es, die Position aller Stellen des Flächenabschnitts 10 mit Formbereichen 20 auch nach einem Umformen beizubehalten, so dass die Formbereiche 20 bzw. Formteile 40 nach dem Umformen gemeinsam ausgeworfen werden können und keine einzelne Entnahme erforderlich ist. Nach dem Umformen kann der Flächenabschnitt 10 mit einer Vielzahl an Formteilen 40 gemeinsam aus einem Formwerkzeug herausgeführt werden. Der die Formteile 40 umgebende Haltebereich 11 erfährt dabei keine oder nur eine unwesentliche Verformung.
  • Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung des Flächenabschnitts 10 von Fig. 1 nach einem Umformschritt, wobei durch den Einzug von faserhaltigem Material beim Umformen Laschen 30 ausbilden, die sich von Verbindungsbereichen bei den Stegen 23 zwischen Abschnitten 24 im ersten Bereich 22 bis hin zu Verbindungsbereichen bei Stegen 27 zwischen Abschnitten 28 im zweiten Bereich 26 erstrecken. Die versetzte Anordnung der Stege 23 und 27 zueinander ermöglicht eine Verbindung zwischen den umgeformten Formbereichen 20 bzw. Formteilen 40 und dem Haltebereich 11, wobei die Position und Ausrichtung beibehalten werden kann, weil ein Rotieren der Formbereiche 20 durch den Einzug von faserhaltigem Material verhindert wird. Ein Grund hierfür ist, dass mehrere Verbindungsstellen zwischen dem Formteil 40 bzw. Formbereich 20 und dem Haltebereich 11 bestehen, so dass eine Verlagerung nur in einer Formrichtung erfolgen kann. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird das Material im Formbereich 20 in die Mitte gezogen, um einen Becher oder eine Schale auszubilden. Daher erfolgt der Materialeinzug gleichmäßig und wird durch die zwischen den Abschnitten 24 und 18 gebildeten Laschen 30 seitlich begrenzt. Das faserhaltige Material der Laschen 30 kann bei weiterer Verformung gestreckt werden. In der Regel werden die Stege 23 und 27 und damit die Länge der Abschnitte 24 und 28 so in den Bereichen 22 und 26 vorgesehen, dass diese nicht stark belastet werden. Auch die Breite der Stege 23 und 27 sowie der Abstand zwischen den Abschnitten 24 und 28 ist nach Maßgabe des verwendeten Materials und dem Verformungsgrad zu bestimmen.
  • Bspw. kann ein faserhaltiges Material mit einer Schichtdicke von 0,2 bis 10 mm bei einem Durchmesser des Formbereichs 20 von 30 mm bis 300 mm sowie einer Verlagerung eines Rands 21 des Formbereichs 20 nach innen, d.h. ein Abstand zwischen dem Rand 21 und dem Rand 12 nach dem Umformen, bspw. im Bereich von 2 bis 50 mm, Stege 23, 27 mit einer Breite von 1 bis bspw. 100 mm und eine Breite der Laschen 30 von 1 bis 10 mm aufweisen.
  • Anders als in den Figuren gezeigt können Formbereiche 20 auch andere flächige Erstreckungen (z.B. oval, rechteckig) aufweisen und die Ausbildung von Bereichen 22, 26 und die Länge von Abschnitten 24, 28 variieren. Dies gilt insbesondere auch für die Länge von Abschnitten 24, 28 eines Bereichs 22, 26 untereinander.
  • Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Flächenabschnitts 10 aus faserhaltigem Material für die Herstellung von dreidimensionalen Formteilen 40 nach einem Stanzschritt mit einer Vielzahl an Formbereichen 20. Der gezeigte Flächenabschnitt 10 kann einen Bereich darstellen, der in einem Formwerkzeug gleichzeitig umgeformt werden kann. Ein solches Formwerkzeug weist dazu einen Werkzeugtisch bzw. eine Werkzeugplatte mit einer entsprechenden Anzahl an Kavitäten sowie ein korrespondierendes Werkzeugteil auf, welches das faserhaltige Material der Formbereiche 20 in die Kavitäten drückt und dabei umformt.
  • Das Umformen erfolgt in der Regel unter hohem Druck im Bereich von 100 N/cm2 bis 10.000 N/cm2, bspw. im Bereich von 400 N/cm2 bis 800 N/cm2, und Temperaturen von 80 °C bis 300 °C, insbesondere bei Temperaturen im Bereich von 120 °C bis 250 °C.
  • Das gezeigte Schnittmuster für die einzelnen Bereiche entspricht der in Fig. 1 gezeigten Ausführung, kann aber in weiteren Ausführungen davon abweichen, insbesondere dann, wenn andere Formteile gefertigt werden sollen. Darüber hinaus können in weiteren Ausführungen Flächenabschnitte 10 mit mehreren oder weniger Formbereichen 20 umgeformt werden.
  • Das Trennen der Abschnitte 24, 28 erfolgt in der Regel in einem der Umformung vorgelagerten Schritt über ein Stanzwerkzeug. In weiteren Ausführungen kann ein Werkzeug sowohl Stanzmesser zum Stanzen bzw. Durchtrennen der Abschnitte 24, 28 als auch Formwerkzeuge (bspw. Kavität und Formstempel) aufweisen. Dabei kann beim Schließen des Werkzeugs zunächst ein Durchtrennen der Abschnitte 24, 28 erfolgen und danach ein Umformen. Hierzu können die Stanzmesser bspw. von einer Werkzeugoberfläche abstehen, so dass diese zuerst mit dem faserhaltigen Material in Berührung kommen und ein Durchtrennen des faserhaltigen Materials in den Abschnitten 24, 28 bewirken. Anschließend können die Stanzmesser mechanisch, pneumatisch oder elektrisch gesteuert zurückfahren, so dass bei weiterer Verlagerung der Werkzeughälften ein Umformen erfolgen kann, ohne dass die Stanzmesser in den Formbereich des Werkzeugs zum Umformen ragen.
  • Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung des Flächenabschnitts 10 von Fig. 3 nach einem Umformschritt. Analog zu der Darstellung des Flächenabschnitts 10 von Fig. 3 sind die Lage und der Abstand der Formteile 40 sowie der Abstand von Rändern 12 der ersten Bereiche 22 zueinander in einer beispielhaften Ausführung gezeigt. In weiteren Ausführungen kann der Abstand zwischen den Rändern 12 deutlich geringer sein, so dass nur eine Haltestruktur bereitgestellt wird. Auch der Abstand zu Randbereichen des Flächenabschnitts 10 kann in weiteren Ausführungen vom gezeigten abweichen. Es ist dabei auch möglich, die Abstände zu vergrößern, um bspw. eine ausreichend große Haltefläche zwischen den Formteilen 40 bzw. Formbereichen 20 bereitzustellen. Über die Haltefläche kann der Flächenabschnitt 10 abseits der Formbereiche 20 während des Umformens gehalten werden, so dass kein Einziehen des faserhaltigen Materials möglich ist. Daher wird das faserhaltige Material im Haltebereich 11 nicht verformt.
  • Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung von dreidimensionalen Formteilen 40 aus einem Flächenabschnitt 10 aus faserhaltigem Material.
  • In einem ersten Schritt erfolgt ein Bereitstellen 51 eines Flächenabschnitts 10 aus faserhaltigem Material. Der Flächenabschnitt 10 kann bspw. Kraftpapier, Airlaid, Fluffpulp, Krepp, vliesartiges Fasermaterial oder anderes faserhaltiges Material aufweisen. Das faserhaltige Material kann insbesondere mindestens eine Lage eines solchen Materials, wie vorstehend ausgeführt, aufweisen. In weiteren Ausführungen kann ein faserhaltiges Material durch mehrere Lagen gebildet werden. Vorzugsweise kann das faserhaltige Material Zellulosefasern aufweisen.
  • Das Bereitstellen des Flächenabschnitts 10 kann ferner einen Schritt der Herstellung des Flächenabschnitts 10 umfassen, wobei faserhaltiges Material aus einem Ausgangsmaterial hergestellt wird (bspw. Zerkleinern und Zusammenfügen (bspw. Airlaid). Der Flächenabschnitt 10 kann als Materialbogen oder endlose Bahn, bspw. auf einer Rolle, bereitgestellt werden.
  • Anschließend erfolgt ein Einbringen 52 bzw. ein kontinuierlicher oder diskontinuierlicher Transport (bspw. taktweise) mindestens eines Flächenabschnitts 10 in eine Stanzstation, wobei ein Stanzen 53 des Flächenabschnitts 10 durchgeführt wird. Dabei können Stanzmuster in das faserhaltige Material eingebracht werden, wie sie vorstehend in verschiedenen Ausführungen beschrieben sind. Stanzmuster umgeben Formbereiche 20 für ein nachgelagertes Umformen 54 über mindestens einen ersten Bereich 22 und mindestens einen zweiten Bereich 26, welche jeweils Abschnitte 24, 28 aufweisen. Nach dem Stanzen 53 weist zumindest ein Flächenabschnitt 10 vollständig durchtrennte Abschnitte 24, 28 in Bereichen 22, 26 auf. Nach dem Stanzen 53 erfolgt ein Umformen 54, wobei dazu der zuvor gestanzte Flächenabschnitt 10 entweder in einem kombinierten Stanz- und Umformwerkzeug oder einem der Stanzstation nachgelagertem Umformwerkzeug umgeformt wird. Beim Umformen 54 werden Formbereiche 20 umgeformt, wobei über ein Formwerkzeug 60 das faserhaltige Material aus seiner im Wesentlichen ebenen Erstreckung in eine dreidimensionale Form gebracht wird. Dazu muss eine Ausgleichsbewegung im Flächenabschnitt 10 aufgrund des Nachrutschen bzw. Ziehen des faserhaltigen Materials beim Umformen bereitgestellt werden. Die Ausgleichsbewegung wird durch das Lösen des zuvor in den Abschnitten 24, 28 getrennten faserhaltigen Materials erreicht. Die Verbindung zwischen einem Haltebereich 11 des faserhaltigen Materials des Flächenabschnitts 10 und dem Formbereich 20, der zu einem Formteil 40 umgeformt wird, bleibt dabei nur in Verbindungsbereichen bzw. Stegen 23, 27 bestehen, die über Laschen 30 miteinander verbunden sind. Die Laschen 30 erlauben eine Verlagerung des Formbereichs 20, ohne dass es zu einem Stauchen, Strecken oder Dehnen des faserhaltigen Materials insbesondere im Haltebereich 11 kommt, so dass die Position und Ausrichtung sämtlicher Formbereiche 20 bei einem Formwerkzeug zur gleichzeitigen Umformung mehrerer Formbereiche 20 in einem Flächenabschnitt 10 bestehen bleibt.
  • Beim Umformen 54 wird das faserhaltige Material nur im Formbereich 20 umgeformt und durch das Formwerkzeug unter hohem Druck und unter Temperatureinwirkung zwischen Formflächen in einer Kavität des Formwerkzeugs verpresst. Dabei kann nur das faserhaltige Material im Formbereich 20 partiell gestaucht, gedehnt und gestreckt werden.
  • Danach erfolgt ein Ausbringen 55 der umgeformten Formbereich 20 bzw. der Formteile 40, wobei das Ausbringen 55 von Formteilen 40 eines Flächenabschnitts 10 gemeinsam erfolgt. Vorteilhafterweise wird der Haltebereich 11 nicht umgeformt oder gestaucht bzw. gedehnt, so dass ein Vorschub der Umformung nicht Rechnung tragen muss. Bspw. kann ein Vorschub durch die Stationen (mind. Stanzen, Formen, etc.) einer Formanlage über Rollen, Greifer, Zangen oder Kluppen erfolgen.
  • In weiteren Ausführungen kann nach dem Ausbringen 55 oder dem Umformen 54 eine weitere Bearbeitung 56 erfolgen. Eine weitere Bearbeitung 56 kann bspw. ein Bedrucken, Befüllen, Beschichten, etc. umfassen.
  • Schließlich erfolgt ein Vereinzeln 57 der Formteile 40 aus dem Flächenabschnitt 10 in einer weiteren Stanzstation über ein Stanzwerkzeug, wobei die Verbindung über die Laschen 30 zwischen den Formteilen 40 und dem Haltebereich 11 getrennt wird. Vorzugsweise erfolgt das Trennen in den Verbindungsbereichen der Stege 27, so dass ein Abstehen von Fasermaterial am fertigen Produkt verhindert wird. In noch weiteren Ausführungen kann ein Stanzen eines Rands der Formteile 40 durchgeführt werden, wobei ein äußerer umlaufendender Randbereich vollständig abgetrennt wird.
  • Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausschnitts eines Formwerkzeugs 60 beim Umformen von faserhaltigem Material. Das Formwerkzeug 60 weist ein erstes unteres Werkzeugteil 62 mit mindestens einer Kavität 64 und ein oberes zweites Werkzeugteil 68 mit einem Formstempel 69 auf, wobei beim Umformen 54 das faserhaltige Material zwischen den Formflächen der Kavität 64 und des Formstempels 69 verpresst wird. Mindestens das obere Werkzeugteil 68 oder das untere Werkzeugteil 62 sind über nicht dargestellte Heizeinrichtung beheizbar, um beim Verpressen des faserhaltigen Materials zum Umformen eine Verbindung des faserhaltigen Materials zu erreichen bzw. zu unterstützen.
  • Ein Formwerkzeug 60 kann insbesondere mehrere Kavitäten 64 und korrespondierende Formstempel 69 aufweisen, so dass in einem Pressvorgang mehrere Formteile 40 gleichzeitig hergestellt werden können.
  • In der beispielhaften Darstellung weist das obere Werkzeugteil 68 Klemmbereiche 67 auf, welche dazu dienen, im geschlossenen Zustand des Formwerkzeugs 60 das faserhaltige Material in Haltebereichen 11 zu halten, so dass es dort zu keiner Verlagerung oder Verformung des faserhaltigen Materials kommt.
  • In der gezeigten Ausführung befinden sich die Laschen 30 beim Schließen des Formwerkzeugs 60 und im geschlossenen Zustand des Formwerkzeugs 60 außerhalb der Kavität 64. Die Laschen 30 werden beim Umformen und Schließen des Formwerkzeugs 60 nicht geklemmt, so dass diese eine Ausgleichsbewegung ausführen können. In noch weiteren Ausführungen können Kavitäten 64 Bereiche für die Laschen 30 aufweisen, wie durch die gestrichelten Linien gezeigt.
  • Das Formwerkzeug 60 kann bspw. in einer Faserformanlage zur Herstellung von dreidimensionalen Erzeugnissen aus einem faserhaltigen Material eingebaut sein, wobei die Faserformanlage Erzeugnisse hergestellt werden können, die biologisch abbaubar sind und selbst wieder als Ausgangsmaterial für die Herstellung von dreidimensionalen Formteilen 40 aus einem faserhaltigen Material dienen und kompostiert werden können, weil diese in der Regel vollständig zersetzt werden können und keine bedenklichen, umweltgefährdenden Stoffe enthalten. Formteile 40 können bspw. als Becher, Deckel, Schalen, Kapseln, Teller und weitere Form- und/oder Verpackungsteile (bspw. als Halter-/Stützstrukturen für elektronische oder andere Geräte) ausgebildet sein. Eine Faserformanlage kann weitere Stationen und Einrichtungen aufweisen. Bspw. kann ein Vorrat für faserhaltiges Material vorgesehen sein. In weiteren Ausführungen kann eine Mühle zur Zerkleinerung eines Ausgangsmaterials und zur Vereinzelung von Fasern vorgesehen sein, die anschließend als Flächenabschnitt 10 weiterverarbeitet wird.
  • Die vorgestellte Lösung gibt an, wie Flächenabschnitte 10 als Bahn oder Bogen vorgeschnitten werden können, um einen nahezu ungehinderten Materialeinzug beim Umformen zu ermöglichen, wobei gleichzeitig Rohlinge (Formbereich 20) bzw. geformte Produkte (Formteile 40) mit der Bahn bzw. dem Bogen verbunden bleiben können.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Flächenabschnitt
    11
    Haltebereich
    12
    Rand
    20
    Formbereich
    21
    Rand
    22
    erster Bereich
    23
    Steg
    24
    Abschnitt
    26
    zweiter Bereich
    27
    Steg
    28
    Abschnitt
    30
    Lasche
    40
    Formteil
    50
    Verfahren
    60
    Formwerkzeug
    62
    Werkzeugteil
    64
    Kavität
    67
    Klemmbereich
    68
    Werkzeugteil
    69
    Formstempel
    51-57
    Verfahrensschritte

Claims (12)

  1. Flächenabschnitt aus faserhaltigem Material für die Verarbeitung zu einem dreidimensionalen Formteil durch einen Umformprozess, wobei der Flächenabschnitt mindestens eine Materialschicht aufweist, aufweisend mindestens einen Formbereich für ein Umformen zur Herstellung eines dreidimensionalen Formteils und mindestens einen ersten Bereich und mindestens einen zweiten Bereich, wobei sich der mindestens eine erste Bereich und der mindestens eine zweite Bereich umfangsseitig gemeinsam um mindestens einen Teil des mindestens einen Formbereichs erstrecken, wobei der mindestens eine erste Bereich mindestens zwei Abschnitte aufweist, in denen die mindestens eine Materialschicht vollständig getrennt ist, und der mindestens eine zweite Bereich mindestens einen Abschnitt aufweist, in dem die mindestens eine Materialschicht vollständig getrennt ist, und wobei die beiden Abschnitte des mindestens einen ersten Bereichs über einen ersten Verbindungsbereich voneinander getrennt sind, wobei der erste Verbindungsbereich zwischen den Abschnitten des mindestens einen ersten Bereichs sich relativ zu dem Abschnitt des mindestens einen zweiten Bereichs befindet.
  2. Flächenabschnitt nach Anspruch 1, wobei eine Länge des Abschnitts des mindestens einen zweiten Bereichs größer ist, wie eine Länge der Abschnitte des mindestens einen ersten Bereichs.
  3. Flächenabschnitt nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Flächenabschnitt eine im Wesentlichen ebene Erstreckung aufweist.
  4. Flächenabschnitt nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der mindestens eine erste Bereich und der mindestens eine zweiten Bereich im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
  5. Flächenabschnitt nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der mindestens eine erste Bereich und der mindestens eine zweite Bereich den Formbereich vollständig umgeben.
  6. Flächenabschnitt nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Länge des Abschnitts des mindestens einen zweiten Bereichs im Wesentlichen das 1,5 bis 2,5-fache einer Länge der Abschnitte des mindestens einen ersten Bereichs aufweist.
  7. Flächenabschnitt nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der mindestens eine erste Bereich umlaufend Abschnitte aufweist, die jeweils über einen ersten Verbindungsbereich voneinander getrennt sind, wobei der mindestens eine zweite Bereich umlaufend Abschnitte aufweist, die jeweils über einen zweiten Verbindungsbereich voneinander getrennt sind.
  8. Flächenabschnitt nach Anspruch 7, wobei die ersten Verbindungsbereiche sich im Wesentlichen mittig zu den Abschnitten des mindestens einen zweiten Bereichs und die zweiten Verbindungsbereiche sich im Wesentlichen mittig zu den Abschnitten des mindestens einen ersten Bereichs befinden.
  9. Flächenabschnitt nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der mindestens eine Formbereich nach einem Umformen ein dreidimensionales Formteil aufweist und ein Rand des dreidimensionalen Formteils über mindestens zwei Streifen mit einem den mindestens einen ersten Bereich umgebenden Material verbunden ist, wobei die Streifen aus dem Material gebildet sind, welches sich vor dem Umformen zwischen den Abschnitten des ersten Bereichs und des zweiten Bereichs befindet.
  10. Flächenabschnitt nach Anspruch 9, wobei der mindestens eine erste Bereich und der mindestens eine zweite Bereich nach Maßgabe eines Umformgrades bei der Umformung zur Ausbildung des dreidimensionalen Formteils ausgerichtet sind.
  11. Verfahren zur Herstellung eines Flächenabschnitts aus faserhaltigem Material für die Verarbeitung zu einem dreidimensionalen Formteil durch einen Umformprozess, wobei der Flächenabschnitt mindestens eine Materialschicht aufweist, aufweisend folgende Schritte:
    - Bereitstellen mindestens eines Flächenabschnitts aus faserhaltigem Material, und
    - Trennen des faserhaltigen Materials in mindestens einem ersten Bereich und in mindestens einem zweiten Bereich, wobei der mindestens eine erste Bereich mindestens zwei Abschnitte aufweist, und der mindestens eine zweite Bereich mindestens einen Abschnitt aufweist, wobei die beiden Abschnitte des mindestens einen ersten Bereichs über einen ersten Verbindungsbereich voneinander getrennt sind.
  12. Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Formteilen aus einem Flächenabschnitt aus faserhaltigem Material nach einem der Ansprüche 1 bis 10, aufweisend die folgenden Schritte:
    - Bereitstellen eines Flächenabschnitts aus faserhaltigem Material mit mindestens einer Materialschicht, aufweisend mindestens einen Formbereich und mindestens einen ersten Bereich und mindestens einen zweiten Bereich, wobei der mindestens eine erste Bereich und der mindestens eine zweite Bereich sich umfangsseitig gemeinsam um mindestens einen Teil des mindestens einen Formbereichs erstrecken, wobei der mindestens eine erste Bereich mindestens zwei Abschnitte aufweist, in denen die mindestens eine Materialschicht vollständig getrennt ist, und der mindestens eine zweite Bereich mindestens einen Abschnitt aufweist, in dem die mindestens eine Materialschicht vollständig getrennt ist, und wobei die beiden Abschnitte des mindestens einen ersten Bereichs über einen ersten Verbindungsbereich voneinander getrennt sind, und
    - Umformen des Formbereichs, wobei das faserhaltige Material im Formbereich aus einer im Wesentlichen ebenen Erstreckung mindestens lokal dreidimensional unter Ausbildung eines Formteils verformt wird, wobei der Abstand zwischen dem mindestens zwei Abschnitten des mindestens einen ersten Bereichs und dem mindestens einen Abschnitt des mindestens einen zweiten Bereichs vergrößert und mindestens ein Freiraum zwischen dem ersten Verbindungbereich und einem Rand des Formteils erzeugt wird.
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