JP7772063B2 - パルプから一体物品を形成するためのモールド - Google Patents

Description

本発明は、成形物品(moulded article)を形成するためのシステムにおける使用のためのモールド(鋳型)(mould)に関する。特に、本発明は、繊維懸濁液、例えば、紙パルプから容器を形成することに関する。物品／容器は、液体を保持するのに有用な消費者包装(consumer packaging)であることがある。

消耗可能なアイテム、特に包装におけるプラスチックの使用を減らすことが望ましい。トレイおよび簡単な形状が、一般に、紙パルプから作られるが、液体を保持するのに必要なボトルのような、より複雑な三次元形態は、設計するのがより困難である。

公開された特許文献１、特許文献２、特許文献３および特許文献４は、それぞれ、モールド内の紙パルプから物品を形成することを記載している。モールドは、物品のネガ像／掘り型を特徴とし、物品を貫通する開口を有するか、あるいはパルプを混ぜるモールドに導入された懸濁液を吸引の適用によって除去することができるように多孔性である。液体を除去した後に残されるパルプは、モールドの形状に適合する。第２の段階では、崩壊状態の膨張可能部材をモールド内に導入し、形成される物品の内壁に圧力を加えるように膨張させ、それによって、パルプをより均一な壁厚に分配し、物品およびモールドからさらなる懸濁液を排出する。成形された物品をモールドから解放し、残った液体を除去するために乾燥させる。

本発明は、形成された結果としての物品の仕様を向上させるための、あるいは少なくとも公衆に代替を提供するための、上述の技術の進歩に関する。本発明は、洗浄製品および飲料のような液体を保持するためのボトルを製造するのに特に適する。

本発明を実施する広範な態様では、モールド構造が、請求項１に従って定義される。本発明に従った対応するシステムおよび方法が、請求項１３で定義される。他の有用な構成が、従属クレームに概説される。本発明の一態様が、モールド構造と特定のパルプスラリー混合物との組み合わせに拡張することもある。

本発明は、一体成形品に作られる改良されたパルプボトル(pulp bottle)構造を最終的に生成することを想定する。従って、本プロセスによって得られる新規なボトルも想定される。本明細書中のプロセスは、ボトル形状の物品を形成することを主として意図し、ボトル形状の物品は、ジャー(jar)または類似の形状をした蓋閉鎖可能な容器も包含する。

本発明のモールドは、少なくとも２つの多孔性ゾーン（例えば、および／または可変透過性のゾーン）を有する実質的な容積を特徴とする。例えば、モールドの少なくとも物品対向面に位置する第１の多孔性（または透過性）ゾーンが、高い密度（すなわち、その容積内のより少ない透過性およびより少ない総自由空間）を有してよく、第１のゾーンと連通するが、物品との接触から離れている、第２のゾーンが、より低い密度（すなわち、その容積内により透過性および第１のゾーンよりも大きな自由空間）を有してよい。各ゾーンは、その容積を通じて概ね連続的な空孔率を有する。第３のゾーンおよび後続のゾーンが、少なくとも２つの多孔性ゾーンと連通してよい。さらに、本発明は、成形中に物品と接触して位置する第１の多孔性領域と、第１の多孔性領域から離れた第２の多孔性領域とによって具現され、空孔率は、モールドの容積に亘って変化する。換言すれば、モールドは、第１の空孔率と第２の空孔率との間の遷移体積(transitional volume)を画定する。

一形態において、本発明は、繊維懸濁液からボトル形状の物品を形成するためのモールド(鋳型)によって具体され、モールドは、形成されるべきボトル形状の物品のネガ形状(negative shape)にあるキャビティを含み、モールドは、キャビティの周りの異なる空孔率の少なくとも２つの領域を通じて繊維懸濁液の懸濁液を伝えるように構成され、９０％以下（好ましくは、７０％以下）の空孔率を有する第１の多孔性領域が、キャビティの実質的な物品対向面を含む第１の層であり、第１の多孔性領域よりも大きな空孔率を有する第２の多孔性領域が、第１の多孔性領域のための支持構造として機能する第２の層である。特定の形態において、モールドは、モールドブロックへの挿入のための、ブロック形状であることがある、３Ｄ印刷された（または付加製造の他の形態の）取り外し可能なインサートである。

本発明の文脈における「連続的な空孔率(continuous porosity)」とは、例えば、特許文献１から知られているタイプの、モールドを通じて入口側／物品形成面からモールドの出口側に至る比較的少数の間欠的な「孔(pores)」またはチャネルを有する表面とは異なるような、一貫して均一に分布した孔構造の容積／表面積を指す。ゾーン間の空孔率は、それがある密度から別の密度へと徐々に変化するという意味で連続的であることがあり、あるいはそれらの境界で突然変化することがある。

本発明は、代替的にまたは追加的に、モールドを通じた全体的な圧力降下および／または透過性の観点から記載されることがある。換言すれば、本発明は、それを通じる流動特性を念頭に置いて、例えば、特定の濃度のスラリーと組み合わせにおいて設計される、「可変透過性モールド(variable permeable mould)」に関する。透過率の実用単位は、ダルシー（ｄ）、より一般的には、ミリダルシー（ｍｄ）である。

本成形方法の特別な利点は、複数のブランドの設計オプションおよび表面特徴(surface features)を可能にすることである。対照的に、従来の正方形カートンは、インク色を変えることによってのみ装飾されることができる。

本発明に関連する方法は、懸濁液中の繊維懸濁液を調製することを含む。調製(preparation)は、剪断またはパドルミキサで水和するためのタンクおよび谷ビータ(valley beater)のようなパルプ特性リファイナを含むことがある。このステップは、プロセスまたはバッチで連続的に行われることがある。懸濁液の濃縮形態が、成形直前に希釈するために調製されることがある。モールドへの送達のための最も有効な濃度は、１％未満、例えば、約０．７％の繊維であると予想される。

（例えば、ボトルのような所望の成形される物品のネガ３Ｄ画像を有して構成される）本発明による二部（または二部以上）の多孔性モールドに所定の容積まで連続的に供給される間に、懸濁液は、例えば、真空圧／ポンプ、差圧または正圧によって、多孔性モールドの孔を介して除去される。所定の容積は、モールドから除去される懸濁液の重量を測定することによって監視(モニタリング)されてよい。一例として、１０～５０リットルのプロセス水が、多孔性モールドの外側のタンクに集められて、モールド表面にパルプ繊維を残してよい。

実質的に全ての懸濁液が除去された後に、加圧手段、例えば、（崩壊状態にある膨張可能なブラダのような）不透過性表面を成形される物品に適用して、（例えば、空圧または液圧；空気、水または油による膨張によって）物品の内壁に圧力を付与し、それにより、多孔性モールドの孔を通じてさらなる懸濁液を放出してよい。成形された物品は、乾燥のために除去される。

多孔性／透過性モールドの壁は、例えば、放出された懸濁液をモールドを通じて逆転して戻すことによって、および／またはモールドの壁に対する水ジェットの使用によって、物品の除去後に洗浄されるのが好ましい。洗浄は、多孔性表面から残留繊維を除去し、繰り返し使用するためにモールドを再調整する。特に、さもなければ使用後に損なわれるモールドの透過性が回復される。

本方法／システムの乾燥段階は、例えば、連続またはバッチ送達システムにおいて、マイクロ波エネルギを利用することがある。物品は、非多孔性モールドの前または後の段階であるいはそれらの両方の段階で乾燥されることがある。

コーティング(被覆)段階は、成形された物品の表面に保護層を塗布することがある。例えば、コーティングステップは、成形された物品のベースおよび側面を内部的および／または外部的にスプレーすることを含むことがある。

コーティング／乾燥後に、閉鎖要素が、成形された物品の開口に適用されてよい。閉鎖要素は、開口を封止(シール)する環状構成を有するネック備品(fitment)を含むことがある。

本発明は、成形された物品を形成するためのシステムによって具現されることがあり、システムは、懸濁液中の繊維懸濁液のソース(供給源)と、本発明による多孔性モールドに繊維懸濁液を送達する送達ラインと、多孔性モールドの孔を介して懸濁液を除去するための吸引ポンプと、物品の内壁に圧力を加える加圧手段（例えば、崩壊状態でモールドに挿入され、次に、膨張されるように構成される、膨張可能な加圧部材）とを含む。

本発明を利用するために考案されたモールドシステムは、モールドの多孔性インサートを製造するために（プラスチックにおいて）３Ｄ印刷プロセスを利用することができるので、特に有益である。このようにして、急速プロトタイピングおよびプロセス改善のための開発を達成することができる。モールドは、他のプロセス、例えば、他の付加製造技術を用いて作られることもできる。

本発明によるモールドを実施するプロセスを図示している。 本発明による３Ｄ多孔性モールドを図示している。 成形物品が３Ｄ多孔性モールドから除去される際の成形物品を図示している。 モールドおよびパルプ計量分配ノズルの全体図を図示している。 図４のパルプノズルの側面図および断面立面図を図示している。 モールド表面の拡大図を図示している。 モールドの斜視図を図示している。 図７のモールドの斜視図を図示している。 モールドの表面構成の図を図示している。

以下の記述は、例示的な実施形態を提示し、図面と共に、本発明の原理を説明するのに役立つ。しかしながら、本発明の範囲は、実施形態の正確な詳細または全ての構成(features)およびステップ(steps)への正確な遵守に限定されることを意図しない。何故ならば、変形物が当業者に明らかであり、本記述によってもカバーされると考えられるからである。本明細書において使用されるコンポーネント(構成要素)に関する用語は、均等な機能(functions)および特徴(features)も包含する広範な解釈が与えられるべきである。幾つかの場合には、構造的特徴に関する幾つかの代替的な用語（同義語）が提供されているが、そのような用語は網羅的であることを意図しない。

また、記述的な用語は、可能な限り広範な解釈が与えられるべきである。例えば、本明細書において使用されるときの「含む(comprising)」という用語は、「含む(comprising)」という用語を含む本明細書中の各陳述を解釈するとき、その用語以外の構成またはその用語が前置きされる構成も存在する場合があるように、「少なくとも部分的に～で構成される(consisting at least in part of)」ことを意味する。「含む(comprise)」および「含む(comprises)」のような関連する用語は、同様に解釈されるべきである。「垂直な(vertical)」、「水平な(horizontal)」、「上(up)」、「下(down)」、「上方(upper)」および「下方(lower)」のような指向性の用語は、説明の便宜のために、通常、図面を参照して使用され、均等な機能を代替的な寸法および／または方向で達成することができるならば、最終的に限定的である意図しない。

本明細書中の記述は、ステップまたは構成の特定の組み合わせを有する実施形態を参照する。しかしながら、さらなる組み合わせおよび実施形態間の互換性のあるステップまたは構成の相互組み合わせが可能であると想定される。事実、分離された構成は、他の構成からの発明として独立して機能することがあり、完全な組み合わせとしての実装を必ずしも必要としない。

本発明によるモールド(鋳型)(mould)の文脈および用途を理解するために、図１は、パルプ物品、例えば、ボトルを製造するためのプロセスの一例を概説する。プロセスは、パルプ懸濁液を調製するステップと、これを多孔性モールドに導入するステップと、懸濁液をそこから排出するステップとを含む。

パルプ処理および貯蔵の第１の段階では、未加工のパルプ繊維(raw pulp fibres)が再水和され(rehydrated)、谷ビータ１１(valley beater)のプレート間を通される。このプロセスは、フィブリル化(細線維化)(fibrillation)、すなわち、細胞壁の部分的な剥離を促進して、湿った繊維表面の毛のような外観をもたらす。結果として生じる「毛(hairs)」は、フィブリル化とも呼ばれ、乾燥生成物中の繊維間の結合の相対的強度を増加させる。

このプロセスの間に、所望の添加剤を使用して、ボトルの構造、強度および成形特性を変化させ、潜在的にコストを下げる。サイズ剤(sizing)、充填剤(fillers)および緩衝添加剤(buffer additives)を必要に応じて評価すことができる。

濃縮された形態の処理済みパルプを必要とされるまでバット１２(vat)に貯蔵することができ、それは貯蔵スペースの総量を減らす。

水性懸濁液の固体繊維の希釈、例えば、０．１～５％、１％未満、最も好ましくは、０．７％は、成形の直前に混合ステーション１３で行われる。この段階での混合は、パルプの特性を変えることなく、スラリーが均質化されることを確実にする。図示のように、気泡は上方に上昇し、スラリーをそれらの上方に移動させ(displacing)、底レベルの液体を上方に引き上げる。

成形ステップ１４は、ツール(工具)１５（例えば、３Ｄ印刷されたインサート）を特徴とし、そこでは、物品が形成されるキャビティを形成するために、２つ以上の協働する部品(ピース)が、液圧ラムを使用して互いにクランプされる。スラリーは、（以下にさらに記載する入口チューブで）ツール１５に頂部充填され、それはモールドをスラリーに沈める成形プロセスは対照的である。然る後、パルプスラリーは、射出成形機に類似する多孔性ツール１５を通じて真空（または正圧／差圧）の下でライン１６を介して引き出される。ショット質量(shot mass)が、タンク１７に引き込まれる水の質量／体積を測定する（重さを量る）ことによって制御されることがある。ひとたび必要とされる質量に達すると、ツールは周囲空気に開放される。重量スケールのプラットホーム支持タンク１７(weight scale platform supporting tank)が図１に見える。

ライン１６内の繊維懸濁液で引き出される懸濁液は水である。真空の下でライン１８を通じてタンク１７に引き出される水は、実質的に繊維を含まない。何故ならば、多孔性ツール１５の壁には後に残されたものがあるからである。一例として、モールド１５を通じて懸濁液１８を吸引することは、所定量（例えば、１０リットル）の水がタンク１７に集められるまで連続的である。

ツール１５内の「物品」は、この段階では、成形されているが湿った形状であり、モールドの内壁に対して保持されている。

さらなる懸濁液（水）を除去し、３Ｄ物品形状を強固にするために、加圧手段がアクティブ化(起動)される。図示の実施形態では、折り畳み可能なブラダ１９(bladder)が、モールド１５に挿入されて、ツールのための内部高圧コア構造として作用する。前述のように、このプロセスは、湿った「胚(embryo)」ボトルを強化するので、それは乾燥前に取り扱われる（あるいは機械化された手段によって輸送される）ことができ、セルロース繊維間の水を移動させ、それによって、乾燥プロセスの効率を向上させる。ブラダ１９は、シリンダを有する液圧ポンプ２０を使用して作動され、シリンダは、ライン２１内の流体をブラダ１９内に移動させて、それを膨張させ、ツールキャビティに適合させる。ライン２１内の流体は、好ましくは、水のように非圧縮性である。水の使用は、（懸濁液は既に水であるため）ブラダの如何なる漏れまたは破裂もシステムに新しい物質を導入しないという利点を有する。如何なるブラダの不良も、迅速に浄化されることができる。

図２および図３は、本発明による多孔性モールド１５インサートを収容する二部成形ブロック１４(two-part mould block)の外観を示している。ブロック１４を通じるチャネルが、多孔性モールド１５の背面と連通して、ライン１８を介してモールドを通じて引き出される懸濁液のための通路を提供し、（後述の）洗浄ステップの間に逆流ももたらす。

離型(demoulding)は、成形ツール１５が自己支持物品２２の除去のために開くステップで生じる（図３に図示される）。洗浄ステップ２３(cleaning step)は、小さな繊維を除去して、ツールの多孔性／透過性を維持するために実施される。図示の形態では、ツールが開いている間に、高圧ジェット焼成(high-pressure jet firing)が成形チャンバ内に半径方向に挿入される。これは表面上の繊維を除去する。代替的にまたは追加的に、タンク１７からの水は、ツール１５の後部を通じて加圧され、捕捉された繊維を除去する。水は、システムの上流ステップに戻る循環のために排水されることがある。洗浄が再使用のためにツールを調整するための重要なステップであることは注目に値する。ツールは、物品の除去後、視覚的に綺麗に見えることがあるが、洗浄ステップがなければ、その性能は損なわれる。

自己支持物品２２は、さらなる処理、乾燥などのために輸送されることがあるが、そのような詳細は、本開示の範囲外である。

図４は、モールドケーシング１４および多孔性ツール１５の上方部分を図示している。ケーシング１４は、シールを収容するためのチャネル２４を含み、充填チューブ２５は、ツール１５への開口を閉じるためにツールプラグ２６から延びることが、明らかである。チューブ２５の長さは、モールドキャビティ２７の実質的に開放された容積内に、すなわち、物品のショルダ領域(肩部領域)に近接して延在するのに十分である。

チューブ２５は、ネック(頸部)周囲のパルプ材料の堆積に関する問題を克服する。例えば、この充填チューブがないならば、パルプネックは、入ってくる懸濁液によって洗い流され得るので、形成不良となることがある。チューブ２５は、パルプが固まって(pack)、形成された物品のネック領域を形成し得る、硬い外面を提供することが、明らかである。ボトルネックの内面が、チューブ２５の外面に押し付けられる。

図５は、プラグ２６およびチューブ２５の内部詳細を示しており、それらは、ファイバ懸濁液送達ライン１６に結合するためのネジを含むことがある。

例えば、付加製造(additive manufacturing)によって作られたツール１５の表面構造が、図６によって図示されている。画像は、工具類(tooling)に穴を作り出す３Ｄプリンタソフトウェア「スライサ(slicer)」の適用を示している。多孔性表面は、比較的一貫したメッシュに類似した十字構造(criss-cross structure)で構成されている。ツール１５は、物品壁がそれらの形状をとるネガ像を提供する切欠きキャビティ２７(cut-away cavity)を含む。多孔性および透過性は、キャビティにわたって概ね一貫しているべきである。

図示のようなモールドツール１５の内面２８、すなわち、形成する物品と直接接触する表面は、本実施形態によれば、比較的高密度の孔(pores)を有する。

この高詳細層２８(high detail layer)は、ツール１５の第１のゾーンとして機能し、図示の例では、ボトルの外側本体全体の周囲で５ｍｍの厚さである。

図７は、図６の画像からズームアウトして、第１のゾーン２８を取り囲む第２のゾーン２９を示している。第２のゾーン２９は、物品と密着して接触する構造がブラダ膨張（１９）の故に破損するのを防止する、より低い孔密度の支持層である。

第１の層／内側層２８は、典型的には、４０％～７０％の空孔率であり、第２の層／外側層２９は、キャビティ２７に対して堆積された繊維から懸濁液を迅速にモールドから汲み出すことができるように、８０～９０％の典型的な空孔率を有する。

図示された実施形態は、成形される物品において望ましい結果を達成するために好ましい。しかしながら、異なる多孔性ゾーンを有する付加製造されるモールド（インサート１４）を提供する原理を適合させることができる。例えば、高密度領域と低密度領域との混合物は、成形中に物品と接触して、異なる表面効果を与えることがある。幾つかの将来の実施形態では、３つ以上のゾーンが、プロセスを最適化することが見出されることがある。さらに、３Ｄ印刷に対する良好な制御を仮定すると、空孔率は、キャビティ／入口表面での第１の空孔率から出口表面での第２の空孔率に遷移することがある。

図８は、図７に示す半体モールドの断面図である。高密度ゾーン２８は、ツールインサート１５の実質的な容積を形成する第２のゾーン２９に対する層として明確に見られる。層２８は、ツール１５の２つの半体が接触するエッジでフランジを形成するリップ３０を含む。しかしながら、層２８がキャビティ２７内に完全に収容されるような代替的な構成が可能である。さらに、同じモールドツールから１つよりも多くのボトルを同時に製造するために、モールド半体内に複数のキャビティが存在してよい。

図９は、ボトルネックの３Ｄ印刷されたテクスチャ処理された(textured)多孔性表面をより詳細に示している。

ツール１５は、成形される物品の閉鎖に関連するネックインサートを含むことがある。例えば、リング構造が、圧縮成形プロセスによってパルプ繊維から別個に形成され、ボトル２２の口(mouth)の仕上げステップとして役立つようにモールド内に挿入されてよく、好ましくは、ヒートシールされたフィルムを適用し得る平坦な表面３９を提供する。しかしながら、そのような選択肢は、図示されていない。

要約すると、本発明は、一般に、繊維懸濁液から物品を形成するためのモールド（１４）であると考えられることができる。モールドは、形成されるべき物品のネガ形状にあるキャビティ（２７）と、キャビティ（２７）の周りの異なる空孔率の２つの領域（２８，２９）とを持つ、多孔性インサートを含む。使用中、モールドは、キャビティの周りの異なる空孔率の少なくとも２つの領域を通じて、例えば、真空ポンプによって、繊維懸濁液の懸濁流体を伝え、キャビティ上に形成された形状を残す。

欧州特許出願公開第１０８１２８５Ａ１号明細書 欧州特許出願公開第１１９５４６６Ａ１号明細書 欧州特許出願公開第２１９８０８８Ａ１号明細書 国際公開第２０１８／０２０２１９号

Claims (12)

1. 繊維懸濁液からボトル形状の物品を形成するモールドであって、
   当該モールドは、形成されるべき前記ボトル形状の物品のネガ形状にあるキャビティを含み、
   当該モールドは、前記キャビティの周りの異なる空孔率の少なくとも２つの領域を通じて前記繊維懸濁液の懸濁液を伝えるように構成され、
   ９０％以下の第１の空孔率を有する第１の多孔性領域が、前記キャビティの実質的な物品対向面を含む第１の層であり、前記第１の多孔性領域よりも大きな第２の空孔率を有する第２の多孔性領域が、前記第１の多孔性領域のための支持構造として機能する第２の層であり、
   前記少なくとも２つの領域の前記異なる空孔率は、前記キャビティの入口表面での前記第１の空孔率から前記キャビティの出口表面での前記第２の空孔率に遷移する、
   モールド。
2. 第３の多孔性領域を含む、請求項１に記載のモールド。
3. 当該モールドは、モールドブロック内への挿入のための取り外し可能なインサートである、請求項１または２に記載のモールド。
4. 前記取り外し可能なインサートは、３Ｄ印刷されるか、あるいは別の付加製造技法によって作られる、請求項３に記載のモールド。
5. 前記第１の空孔率は、４０％～７０％であり、前記第２の空孔率は、８０％～９０％である、請求項１に記載のモールド。
6. 当該モールドは、２つ以上の協働する部品を含み、各部品は、成形される物品の除去のために開いて離れるように構成される、前記キャビティの部分を含む、請求項１～５のうちのいずれか１項に記載のモールド。
7. 繊維懸濁液ディスペンサノズルを受け入れるための前記キャビティへの開口を含む、請求項１～６のうちのいずれか１項に記載のモールド。
8. 繊維懸濁液ディスペンサノズルとの組み合わせにおいて、前記キャビティは、ネックと、ショルダと、本体とを含む、ボトルを成形するように構成され、前記繊維懸濁液ディスペンサノズルは、前記開口を通じて、前記ショルダに近接する位置まで延長可能な、チューブを含む、請求項７に記載のモールド。
9. 物品を成形する方法であって、
   懸濁液中の繊維懸濁液を調整することと、
   前記繊維懸濁液を請求項１～８のうちのいずれか１項に記載のモールドに給送することと、
   前記異なる空孔率の少なくとも２つの領域を通じて前記懸濁液を除去することと、
   前記異なる空孔率の少なくとも２つの領域を通じてさらなる懸濁液を放出するために、前記物品の内壁に圧力を加えることと、
   前記モールドから前記成形される物品を除去することと、を含む、
   方法。
10. 前記物品の除去後に前記モールドの壁を洗浄することを含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記洗浄することは、前記モールドの壁に対する水ジェットの使用および／または前記モールドを通じて放出される懸濁液を逆送して戻すことを含む、請求項１０に記載の方法。
12. 多孔性モールドに給送される前記繊維懸濁液は、０．１％～１％の固体、好ましくは、０．７％の固体を含む、請求項９～１１のうちのいずれか１項に記載の方法。