DE102022111908A1 - Formeinrichtung zum formen von erzeugnissen aus faserhaltigem material, faserformanlage, verfahren zum formen von erzeugnissen aus faserhaltigem material und erzeugnis aus faserhaltigem material - Google Patents

Abstract

Es werden eine Formeinrichtung (600) zum Formen von Erzeugnissen (3004) aus einem faserhaltigen Material, eine Faserformanlage (1000) mit mindestens einer Formeinrichtung (600) zum Formen von Erzeugnissen (3004) aus einem faserhaltigen Material, ein Verfahren (2000) zum Formen von Erzeugnissen (3004) aus einem faserhaltigen Material und ein Erzeugnis (3004) aus einem faserhaltigen Material beschrieben, wobei zunächst ein Warmpressen und anschließend ein Heißpressen erfolgt, wobei die Temperatur beim Warmpressen geringer ist wie beim Heißpressen und wobei ein Vorformling nach dem Warmpressen ausreichend flexibel für ein Umformen beim Schließen eines Heißpresswerkzeugs ist.

Description

• Technisches Gebiet
• Es werden eine Formeinrichtung zum Formen von Erzeugnissen aus einem faserhaltigen Material, eine Faserformanlage mit mindestens einer Formeinrichtung zum Formen von Erzeugnissen aus einem faserhaltigen Material, ein Verfahren zum Formen von Erzeugnissen aus einem faserhaltigen Material und ein Erzeugnis aus einem faserhaltigen Material beschrieben.
• Faserhaltige Materialen werden vermehrt eingesetzt, um bspw. Verpackungen für Lebensmittel (bspw. Schalen, Kapseln, Boxen, etc.) und Konsumgüter (bspw. elektronische Geräte etc.) sowie Getränkebehälter herzustellen. Die faserhaltigen Materialien weisen dabei in der Regel Naturfasern auf, die bspw. aus nachwachsenden Rohstoffen oder Altpapier gewonnen werden. Die Naturfasern werden in einer sogenannten Pulpe mit Wasser und ggf. weiteren Zusätzen, wie z.B. Stärke, vermischt. Zusätze können zudem Auswirkungen auf die Farbe, die Barriereeigenschaften und mechanische Eigenschaften haben. Diese Pulpe kann einen Anteil von Naturfasern von bspw. 0,5 bis 10 Gew.-% aufweisen. Der Anteil an Naturfasern variiert in Abhängigkeit des Verfahrens, welches zur Herstellung von Verpackungen etc. angewandt wird, und der Produkteigenschaften des herzustellenden Produkts.
• Hintergrund
• Üblicherweise erfolgt die Herstellung von faserhaltigen Produkten bzw. Erzeugnissen aus einer Pulpe in mehreren Arbeitsschritten. Zunächst wird die Pulpe in einem Pulpe-Vorrat bereitgestellt und ein Ansaugkörper mit einem Ansaugwerkzeug, dessen Geometrie im Wesentlichen dem herzustellenden Produkt entspricht, wird zumindest teilweise in die Pulpe getaucht. Während des Eintauchens erfolgt ein Ansaugen über Öffnungen im Ansaugwerkzeug, das mit einer entsprechenden Einrichtung in Verbindung steht, wobei sich Fasern aus der Pulpe an dem Ansaugwerkzeug ansammeln. Diese Fasern werden über das Ansaugwerkzeug in ein Vorpresswerkzeug gebracht, wobei ein Vorformling erzeugt wird. Während dieses Vorpressvorgangs werden die Fasern zum Vorformling verpresst und der Wassergehalt des Vorformlings reduziert.
• In einem darauffolgenden Arbeitsschritt wird der Vorformling in einer Heißpresse in der Regel zum fertigen Produkt verpresst. Hierbei wird der Vorformling in ein Heißpresswerkzeug eingebracht, welches eine untere Werkzeughälfte und eine obere Werkzeughälfte aufweist, welche beheizt werden. In dem Heißpresswerkzeug wird der Vorformling in einer Kavität unter Wärmeeintrag verpresst, wobei durch den Druck und die Wärme Restfeuchte ausgebracht wird, so dass ein Vorformling mit einem Restfeuchtegehalt von ca. 60 Gew.-% nach dem Heißpressen nur noch einen Restfeuchtegehalt von bspw. 5 Gew.-% aufweist. Der beim Heißpressen entstehende Wasserdampf wird während des Heißpressens über Öffnungen in den Kavitäten und Kanäle im Heißpresswerkzeug abgesaugt. Hierzu ist bspw. eine Absaugeinrichtung vorgesehen, die ein Vakuum erzeugt.
• Ein Heißpresswerkzeug und ein Herstellungsverfahren mit dem vorstehend beschriebenen Heißpressverfahren sind bspw. aus DE 10 2019 127 562 A1 bekannt.
• Beim Heißpressen ist es entscheidend, die Vorformlinge, welche einen relativ hohen Wassergehalt aufweisen, ausreichend stark zu erwärmen und ausreichend lange zu verpressen, um die gewünschte Restfeuchte im fertigen Produkt/Erzeugnis zu erzielen und die Fasern zu verpressen, damit ein fertiges Erzeugnis mit den gewünschten Geometrien hergestellt werden kann. Die Geometrie bzw. Form der hergestellten Erzeugnisse unterliegt dabei Einschränkungen, weil eine verhältnismäßig große Verformung eines feuchten Vorformlings nicht ohne Beschädigung durchgeführt werden kann. Insbesondere die Ausbildung des Rands von solchen Erzeugnissen unterliegt dabei starken Einschränkungen. Es ist bspw. nicht möglich einen U-förmigen Rand beim Formen eines Vorformlings mit einem verhältnismäßig hohen Feuchtigkeitsgehalt von bspw. 60 Gew.-% während des Heißpressens zu erzeugen. Grund hierfür ist unter anderem, dass es bei der Ausbildung des Rands durch ein entsprechenden Formwerkzeug beim Schließen des Werkzeugs zu einer zu starken Verformung des feuchten Vorformlings und damit zu unterschiedlichen Dicken im Bereich des Rands und somit zu Rissen kommt. Derartig feuchte Vorformling können aufgrund des hohen Restfeuchtegehalts nicht so weit verformt werden, ohne den Vorformling irreparabel zu beschädigen.
• Weiterhin führt eine solche Verdünnung im Bereich des Rands auch dazu, dass dieser Bereich nicht gleichmäßig beim Heißpressen getrocknet wird. Dadurch entstehen weitere Fehlerstellen, wie bspw. zu trockene, sehr dünnwandige Abschnitte, die leicht nachgeben und damit nicht für das herzustellende Erzeugnis verwendet werden können.
• Formwerkzeuge zum Erzeugen von komplexen Geometrien aus dem Stand der Technik weisen in der Regel bewegliche Formflächen auf. Solche Werkzeuge sind teuer in der Anschaffung und störanfällig. Darüber hinaus ist eine zusätzliche Steuerung für die beweglichen Formflächen erforderlich, was den Aufwand für ein solches Werkzeug erhöht.
• Aufgabe
• Es besteht daher die Aufgabe darin eine Lösung zur Herstellung von Erzeugnissen aus faserhaltigem Material anzugeben, wobei Erzeugnisse mit anspruchsvollen Geometrien, wie bspw. mit einem U-Rand, hergestellt werden können und die Nachteile des Stands der Technik behoben werden, wobei insbesondere auch eine gleichmäßige Wandstärke eines Erzeugnisses auch im Bereich eines umgeformten Rands erreicht werden kann. Darüber hinaus soll eine Lösung angegeben werden, bei der keine beweglichen Formflächen für ein Werkzeug erforderlich sind.
• Lösung
• Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch eine Formeinrichtung zum Formen von Erzeugnissen aus einem faserhaltigen Material gelöst, mindestens aufweisend eine erste Presseinrichtung und eine zweite Presseinrichtung, wobei die erste Presseinrichtung erste Presswerkzeuge aufweist, die zum Formen eines Erzeugnisses mit einem sich in einer Ebene erstreckenden Rand ausgebildet sind, und wobei die zweite Presseinrichtung zweite Presswerkzeuge aufweist, die zum Umformen des Rands ausgebildet sind.
• Die Formeinrichtung bietet die Möglichkeit ein Erzeugnis aus einem faserhaltigen Material herzustellen, das als Vorformling mit einem relativ hohen Restfeuchtegehalt von höchstens 75 Gew.-%, bspw. ca. 60 Gew.-%, bereitgestellt wird, wobei das Erzeugnis einen umgeformten Rand aufweist und dabei eine im Wesentlichen gleichmäßige Wandstärke aufweist, ohne dass ungewollte Schwankungen in der Wandstärke und Fehlstellen, wie bspw. Risse etc., vorliegen.
• Dies wird mittels der Formeinrichtung dadurch erreicht, dass über die ersten Presswerkzeuge ein relativ feuchter Vorformling im Bereich des Rands erst vorgepresst und danach über die zweiten Presswerkzeuge der Rand umgeformt wird. Das zweistufige Verpressen ermöglicht es dabei komplexe Geometrien, insbesondere im Bereich des Rands zu erzeugen. Hierzu sind die zweiten Presswerkzeuge für die Ausbildung des Rands entsprechend ausgebildet.
• Bei der Formeinrichtung sind zudem keine komplexen Presswerkzeuge mit beweglichen Formflächen oder Schiebern, Auswerfern etc. erforderlich. Die erste Presseinrichtung und die zweite Presseinrichtung sind so aufgebaut, dass diese jeweils zueinander bewegliche Presswerkzeuge aufweisen, die im geschlossenen Zustand eine Kavität ausbilden, in welchen Vorformlinge verpresst werden können. Eine Besonderheit stellt dabei der Bereich des Rands für einen Vorformling dar, weil die Formbereiche in der ersten Presseinrichtung bzw. in den ersten Presswerkzeugen und die Formbereiche der zweiten Presseinrichtung bzw. in den zweiten Presswerkzeugen unterschiedlich ausgebildet sind, um die gewünschte Form des Rands zu erreichen.
• Ein flacher oder ebener Rand kann sich bspw. im Wesentlichen orthogonal zu einer Hochachse des Vorformlings oder Erzeugnisses erstrecken. Dies ist aber nicht zwingend erforderlich. In weiteren Ausführungen kann ein solcher Rand, der später umgeformt wird, bspw. im Wesentlichen als Verlängerung einer Wand ausgebildet sein und sich somit in der Erstreckungsrichtung der Wand erstrecken. So kann in weiteren Ausführungen ein Rand auch nur leicht geneigt zur Wand eines Vorformlings oder Erzeugnisses sein, vorzugsweise aber nicht ausschließlich nach außen. Gegenüber einer Wand, die bspw. gegenüber einer Hochachse des Vorformlings oder Erzeugnisses um 3 bis 10 Grad geneigt ist, kann ein Rand nach dem ersten Verpressen um weitere 1 bis 10 Grad gegenüber der Wand oder um 3 bis 25 Grad gegenüber der Hochachse geneigt sein.
• In weiteren Ausführungen können die ersten Presswerkzeuge und/oder die zweiten Presswerkzeuge beheizbar sein, so dass der zweistufige Prozess zur Herstellung eines Erzeugnisses, wie bspw. eines Behälters, mit einem Rand zusätzlich verbessert wird. Dabei kann bspw. in einem ersten Schritt über die ersten Presswerkzeuge ein Vorformling des Erzeugnisses bzw. Behälters entsprechend der späteren Geometrie im Bereich seines Hauptkörpers und im Bereich des Rands vorgepresst werden. Durch einen Wärmeeintrag kann der Feuchtigkeitsgehalt des Hauptkörpers und des Rands in der ersten Presseinrichtung bereits reduziert und eine Bindung der Fasern untereinander erreicht werden. Entscheidend ist hierbei, dass das Erwärmen des Vorformlings in der ersten Presseinrichtung nur bis zu einem gewissen Maß ausgeführt wird, damit der Vorformling nach dem Verpressen in der ersten Presseinrichtung noch ausreichend flexibel ist, um in der zweiten Presseinrichtung beim Schließen der zweiten Presswerkzeuge im Bereich des Rands verformt werden zu können. Die finale Herstellung durch Heißpressen in der zweiten Presseinrichtung erfolgt dann bei geschlossenen zweiten Presswerkzeugen mit einer höheren Temperatur gegenüber der Erwärmung in der ersten Presseinrichtung, wobei das in den Fasern gebundene Wasser verdampft und der Vorformling zum fertigen Erzeugnis bzw. Behälter heißverpresst wird.
• Hierzu können die ersten Presswerkzeuge und/oder die zweiten Presswerkzeuge über Heizeinrichtungen auf die erforderlichen Temperaturen zum Verpressen gebracht werden. Solche Heizeinrichtungen können bspw. elektrische oder hydraulische Heizeinrichtungen sein und bspw. Heizelemente aufweisen. Elektrische Heizelemente können bspw. Heizpatronen sein, deren Temperatur nach Maßgabe des bereitgestellten Versorgungsstroms geregelt werden kann. Über die Heizpatronen können die Presswerkzeuge damit direkt beheizt werden. Hydraulische Heizeinrichtungen können beispielsweise durch die Presswerkzeuge verlaufende Kanäle aufweisen, wobei in den Kanälen ein temperiertes Öl zirkuliert. Das Erwärmen der Presswerkzeuge kann dabei direkt durch ein Erwärmen der Presswerkzeuge oder indirekt durch ein Erwärmen einer Werkzeugplatte, auf/an welcher die Presswerkzeuge befestigt sind, erfolgen. In weiteren Ausführungen können Temperaturerfassungsmittel vorgesehen sein, welche die Temperatur der Presswerkzeuge und/oder der Werkzeugplatte erfassen, um nach Maßgabe der erfassten Werte die Temperatur der Presswerkzeuge zu regeln.
• In weiteren Ausführungen können die ersten Presswerkzeuge einen ersten Formbereich zur Ausbildung eines flachen Rands und die zweiten Presswerkzeuge einen zweiten Formbereich zur Ausbildung eines umgeformten Rands aufweisen. Die erste Presseinrichtung weist hierzu Presswerkzeuge mit einem ebenen Formbereich auf, sodass im geschlossenen Zustand eine Kavität mit einem flachen Formbereich bereitgestellt wird, um einen entsprechend ebenen Rand im Vorformling auszubilden. Die zweiten Presswerkzeuge weisen entsprechend zweite Formbereiche auf, die zur Ausbildung des umgeformten Rands ausgebildet sind und hierzu bspw. mindestens eine Nut in einem zweiten Presswerkzeug und korrespondierende in die mindestens eine Nut ragende Formteile an einem weiteren zweiten Presswerkzeug aufweist. Dabei ragen die Formteile des einen zweiten Presswerkzeugs im geschlossenen Zustand in die Nut des gegenüberliegenden zweiten Presswerkzeugs. In weiteren Ausführungen können die gegenüberliegenden zweiten Presswerkzeuge jeweils mindestens eine Nut und ein abstehendes Formteil aufweisen, wobei letzteres im geschlossenen Zustand der beiden zweiten Formwerkzeuge in eine Nut eines gegenüberliegenden zweiten Formwerkzeugs ragt.
• In weiteren Ausführungen kann die Größe der Kavität in der ersten Presseinrichtung und der zweiten Presseinrichtung unterschiedlich sein, wobei dem Schwund des Volumens des Erzeugnisses bzw. des Vorformlings zwischen dem ersten Verpressen in der ersten Presseinrichtung und dem zweiten Verpressen in der zweiten Presseinrichtung Rechnung getragen wird.
• In weiteren Ausführungen kann der zweite Formbereich zur Ausbildung eines U-förmigen Rands ausgebildet sein. Die Schwierigkeit bei der Ausbildung eines U-förmigen Rands besteht darin, dass ein verhältnismäßig hoher Verformungsgrad für das faserhaltige Material vorliegt, wobei der Rand steile Flanken aufgrund der Schenkel des „U“s aufweist. Mit der hierin beschriebenen Formeinrichtung können komplexe Geometrien bei Erzeugnissen aus einem faserhaltigen Material erzeugt werden. Bspw. kann damit ein Behältnis mit einer abgerundeten Kante gefertigt werden, was bspw. speziell für Trinkbecher etc. häufig gewünscht ist.
• Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch durch eine Faserformanlage zum Formen von Erzeugnissen aus einem faserhaltigen Material mit mindestens einer Formeinrichtung gemäß einer der vorstehenden Ausführungen gelöst. Die Faserformanlage kann ferner eine Vorpresseinrichtung aufweisen, in welcher die Vorformlinge für den späteren Prozess in einer vorstehend beschriebenen Formeinrichtung bereitgestellt werden. Hierbei weist die Faserformanlage ein Saugwerkzeug auf, welches in ein Pulpebecken eingetaucht werden kann, um Fasern aus einer faserhaltigen Pulpe anzusaugen. Hierzu weist das Saugwerkzeug formgebende Saugkörper mit Öffnungen auf, wobei die Saugkörper entsprechend der Gestalt der bereitzustellenden Vorformlinge ausgebildet sind. Über die Öffnungen werden einerseits die Fasern aus der Pulpe während des Eintauchens angesaugt als auch die angesaugten Fasern an der Oberfläche der Saugkörper gehalten. Zudem wird über die Öffnungen in den Saugkörpern beim Vorpressen Wasser aus den angesaugten Fasern abgesaugt. Die Saugkörper können als Saugformen ausgebildet sein und definieren die Form der Vorformlinge. Beim Vorpressen erfolgt ein mechanisches Auspressen von Wasser aus den Fasern bzw. den Vorformlingen, um Vorformlinge bereitzustellen, die in ihrer Struktur so ausgebildet sind, dass sie an nachfolgende Bearbeitungsstationen und Werkzeuge übergeben werden können. Nach dem Vorpressen sind die Vorformlinge jedoch noch nicht ausreichend stabil, so dass ein Umformen irreparable Schäden hervorrufen würde. Nach dem Vorpressen werden dann die vorgepressten Vorformlinge der Formeinrichtung übergeben, wobei in der Formeinrichtung ein zweistufiges Verpressen zur Ausbildung von Erzeugnissen mit speziell ausgebildeten Rändern durch Umformen erfolgt.
• In der Faserformanlage können nach dem zweistufigen Verpressen in der Formeinrichtung die gefertigten Erzeugnisse weiteren Bearbeitungsschritten, wie bspw. einem Beschichten und/oder Befüllen zugeführt werden.
• Die vorstehend genannte Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zum Formen von Erzeugnissen aus einem faserhaltigen Material gelöst, mindestens aufweisend die folgenden Schritte:
• - Bereitstellen eines Vorformlings aus einem faserhaltigen Material, wobei der Vorformling einen Feuchtigkeitsgehalt von höchstens 75 Gew.-% aufweist,
• - erstes Verpressen des Vorformlings unter gleichzeitigem Wärmeeintrag in einer ersten Presseinrichtung mit ersten Presswerkzeugen, wobei ein Vorformling mit einem ebenen Rand erzeugt wird, und
• - zweites Verpressen des Vorformlings unter gleichzeitigem Wärmeeintrag in einer zweiten Presseinrichtung mit zweiten Presswerkzeugen, wobei der ebene Rand umgeformt wird,
wobei
• - die während des zweiten Verpressens eingebrachte Temperatur höher ist als die während des ersten Verpressens eingebrachte Temperatur.
• Das Verfahren ermöglicht die Ausbildung von speziellen Rändern in einem Formgebungsprozess für Erzeugnisse aus einem faserhaltigen Material mit einem Feuchtigkeitsgehalt von maximal 75 Gew.-%, ohne dass die Erzeugnisse bei der Herstellung beschädigt werden oder spezielle, aufwendige Werkzeuge, insbesondere Werkzeuge mit beweglichen Formteilen, erforderlich sind.
• Zunächst wird mindestens ein Vorformling bereitgestellt. Der Vorformling kann bspw. vorab einem Vorpressen zum Ausbringen von Wasser unterworfen worden sein. Ein Vorformen ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Der Vorformling weist für den Formprozess einen Restfeuchtegehalt von maximal 75 Gew.-% auf. Der Vorformling wird dann in die erste Presseinrichtung eingebracht. Dazu wird der Vorformling auf eine Anlagefläche der Kavität der ersten Presseinrichtungen auf- oder eingesetzt. Die erste Presseinrichtung ist dabei geöffnet, wobei die beiden ersten Presswerkzeuge relativ zueinander verlagert sind. Nach dem Einbringen des Vorformlings werden die beiden ersten Presswerkzeuge relativ zueinander verlagert, bis die erste Presseinrichtung geschlossen ist und eine geschlossene Kavität für den Vorformling ausbilden. In der ersten Presseinrichtung wird dann ein erstes Verpressen („Warmpressen“) mit einer relativ geringen Temperatur gegenüber dem Verpressen in der zweiten Presseinrichtung durchgeführt. Beim Warmpressen wird der Feuchtigkeitsgehalt des Vorformlings reduziert und der Vorformling vorgeformt, wobei der Rand als ebener Flansch an einem Hauptkörper ausgebildet wird.
• Nach dem Warmpressen des Vorformlings wird die erste Presseinrichtung durch relative Verlagerung der beiden ersten Presswerkzeuge geöffnet und der warmgepresste Vorformling wird der ersten Presseinrichtung entnommen. Der warmgepresste Vorformling mit dem ebenen Rand wird dann in die zweite Presseinrichtung eingebracht. Dazu wird der warmgepresste Vorformling analog zu dem Einbringen in die erste Presseinrichtung auf eine Anlagefläche der Kavität der zweiten Presseinrichtung auf- oder eingesetzt, wobei die zweite Presseinrichtung geöffnet ist und die beiden zweiten Presswerkzeuge relativ zueinander verlagert sind. Nach dem Einbringen des warmgepressten Vorformlings wird die zweite Presseinrichtung durch relative Verlagerung der beiden zweiten Presswerkzeuge geschlossen. Beim Schließen drückt mindestens ein von einem der beiden zweiten Presswerkzeuge im Formbereich für den Rand abstehendes Formelement mindestens einen Teil des warmgeformten, ebenen Rands des Vorformlings in eine korrespondierende Nut in einem Formbereich für den Rand des gegenüberliegenden zweiten Presswerkzeugs. Beim Schließen wird dabei der warmgeformte Rand entsprechend der Ausbildung der Formbereiche kontinuierlich bis zur endgültigen Verformung im geschlossenen Zustand verformt. Nachdem die zweite Presseinrichtung geschlossen wurde, hat der Rand des Vorformlings seine endgültige Form angenommen. In der zweiten Presseinrichtung erfolgt dann mit einer höheren Temperatur wie in der ersten Presseinrichtung ein Verpressen des Vorformlings („Heißpressen“). Nach dem Heißpressen wird die zweite Presseinrichtung durch relative Verlagerung der zweiten Presswerkzeuge geöffnet und das heißgepresste Erzeugnis entnommen.
• In weiteren Ausführungen können das erste Verpressen (Warmpressen) in einem Temperaturbereich von 70 bis 120 °C und/oder das zweite Verpressen (Heißpressen) in einem Temperaturbereich von 160 bis 250 °C durchgeführt werden. In weiteren Ausführungen kann das Warmpressen bspw. bei etwa 100 °C und das Heißpressen bei etwa 220 °C durchgeführt werden. Der Temperaturbereich für das Warmpressen ermöglicht eine Reduzierung der Restfeuchte des Vorformlings und die Ausbildung eines verhältnismäßig stabilen Vorformlings für das weitere Heißpressen bei gleichzeitig ausreichender Verformbarkeit, insbesondere im Bereich des Rands des Vorformlings.
• In weiteren Ausführungen können das erste Presswerkzeug zum Bereitstellen der Temperaturen für das Warmpressen auf 70 bis 120 °C und/oder das zweite Presswerkzeug zum Bereitstellen der Temperatur für das Heißpressen auf 160 bis 250 °C erwärmt werden. Die Erwärmung kann dabei direkt oder indirekt erfolgen, wobei entsprechende Heizeinrichtungen vorgesehen sein können.
• In weiteren Ausführungen kann während des ersten Verpressens (Warmpressen) der Feuchtigkeitsgehalt des Vorformlings auf 30 bis 50 Gew.-%, bspw. auf 35 bis 50 Gew.-%, insbesondere auf 40 -50 Gew.-%, reduziert werden, um die erforderliche Verformbarkeit bei ausreichender Festigkeit zu erreichen. Mit Festigkeit ist die Beschaffenheit des Vorformlings gemeint, welche den Zusammenhalt des verwendeten Materials betrifft. Hierbei ist nach dem Warmpressen eine Verbindung der einzelnen Fasern des Vorformlings mindestens teilweise eingetreten, so dass das Material im Wesentlichen stabil aber noch ausreichend verformbar ist. Es kann damit nicht zu einem „Einreißen“ oder dergleichen beim Verformen, insbesondere bei der Ausbildung des Rands durch Umformen, kommen. Die Geometrie des Hauptkörpers eines Vorformlings ist beim Warmpressen und beim Heißpressen bereits vorgegeben. Ebenso ist die flache Ausbildung des Rands schon vorgegeben, weil der Vorformling in dieser Form bspw. an Saugkörpern eines Saugwerkzeugs angesaugt wurde, wobei die Saugkörper diese Geometrie widerspiegeln. Ein Stauchen und/oder Dehnen des Vorformlings tritt bei der Herstellung nur im Bereich des Rands auf. Eine zu hohe Restfeuchtigkeit des Vorformlings würde eine Verformung nicht zulassen, weil es dann beim Stauchen/Dehnen zu einem „Fließen“ der Fasern oder einem Reißen des Materials im umgeformten Bereich kommen kann, wodurch der Vorformling beschädigt wird.
• Der vorstehend beschriebene Prozess gewährleistet eine im Wesentlichen konstante Wand- bzw. Materialstärke bei faserhaltigen Erzeugnissen, weil der Rand beim Umformen „nachgeben“ kann. Das bedeutet, dass der Vorformling für das Warmpressen einen größeren Durchmesser vor allem im Bereich des Rands aufweist. Beim anschließenden Umformen des Rands während des Schließens der zweiten Presseinrichtung wird der Rand umgeformt, wobei das äußere freie Ende des Rands nach „innen“ gezogen wird. Damit weist der Rand nach dem Umformen und dem Heißpressen einen geringen Durchmesser auf, weil das äußere Ende des Rands durch das Verformen verschoben wird. Dabei wird jedoch sichergestellt, dass die Materialstärke über das gesamte Erzeugnis hinweg konstant bleibt. Dementsprechend kann das hierin beschriebene Verfahren für ein Umformen im Bereich des Bodens und/oder einer Seitenwand nur bedingt eingesetzt werden, sofern nur geringe Verformungen eintreten, damit die Wand- bzw. Materialstärke im Wesentlichen konstant bleibt und die Struktur erhalten bleibt. Vor allem ein nur partielles Stauchen oder Dehnen des Materials führt zu ungewünschten Veränderungen der Eigenschaften eines fertigen Erzeugnisses.
• Eine Temperaturregelung beim Warmpressen und Heißpressen ermöglicht es auf unterschiedliche Fasern, Pulpezusammensetzungen, Geometrien der herzustellenden Erzeugnisse und Wandstärken etc. Rücksicht zu nehmen und die entsprechenden benötigten Temperaturen bereitzustellen. So kann bspw. für verschiedene Fasern eine andere Warmpresstemperatur erforderlich sein, um die gewünschte Verformbarkeit zu erreichen. Ferner kann insbesondere bei höheren Wandstärken eines Vorformlings eine andere Warmpresstemperatur erforderlich sein als bei dünneren Wandstärken. Auch die Presskraft und Pressdauer während des Warmpressens und des Heißpressens kann nach Maßgabe des verwendeten Materials (Pulpe, Fasern, etc.) und der Geometrie und den Dimensionen eines Vorformlings oder Erzeugnisses unterschiedlich sein und/oder angepasst werden.
• In weiteren Ausführungen kann während des zweiten Verpressens (Heißpressen) der Feuchtigkeitsgehalt des Vorformlings auf 1 bis 10 Gew.-% reduziert werden. Beim Heißpressen kann somit der finale Prozessschritt erfolgen, wobei der Vorformling bspw. „trockengebacken“ wird.
• In weiteren Ausführungen können beim Warmpressen und beim Heißpressen nicht nur unterschiedliche Temperaturen gefahren werden, sondern die ersten und zweiten Presswerkzeuge können an verschiedenen Stellen für den Vorformling unterschiedlich stark beheizbar sein. Bspw. kann damit erreicht werden, dass beim Warmpressen ein Hauptkörper des Vorformlings stärker erwärmt wird als im Bereich des Rands, so dass beim nachgelagerten Heißpressen der Rand noch ausreichend flexibel für ein Umformen ist, aber der Hauptkörper bereits entsprechend stark ausgeformt oder zumindest stärker ausgeformt ist, wie der Rand.
• Nach dem Heißpressen kann in weiteren Ausführungen in nachgelagerten Prozessschritten ein Beschichten, ein Befüllen und/oder ein Schließen des Erzeugnisses bzw. Behältnisses, bspw. mit einem ebenfalls aus einem faserhaltigen Material hergestellten Deckel mit ferner einem analog zum Behältnis umgeformten Rand erfolgen.
• Schließlich wird die vorstehend genannte Aufgabe auch durch ein Erzeugnis aus einem faserhaltigen Material gelöst, das nach einem der vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt ist. Bei dem nach den vorstehend genannten Verfahren hergestellten Erzeugnissen kann es sich bspw. um Verpackungen für Lebensmittel (bspw. Schalen, Kapseln, Boxen, Deckel, etc.) und Verpackungen für Konsumgüter (bspw. elektronische Geräte, Hygieneartikel, Werkzeuge, Besteck, etc.) sowie Getränkebehälter und Deckel hierfür handeln. Ferner kann es sich um Behälter zur Aufnahme von Pflanzen (z.B. Blumentöpfe, etc.) und dekorative Elemente handeln.
• Es wird mit der hierin beschriebenen technischen Lehre ermöglicht ein Erzeugnis bereitzustellen, wobei zunächst ein Warmpressen und anschließend ein Heißpressen erfolgt, wobei die Temperatur beim Warmpressen geringer ist als beim Heißpressen, und wobei ein Vorformling nach dem Warmpressen ausreichend flexibel für ein Umformen beim Schließen eines Heißpresswerkzeugs ist.
• 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:
• 1 eine schematische Darstellung einer Faserformanlage zur Herstellung von Erzeugnissen aus einem Fasermaterial;
• 2 eine schematische Darstellung einer Formeinrichtung zum Verpressen von Vorformlingen aus einem faserhaltigen Material;
• 3a-m verschiedene Zustände der Formeinrichtung von 2 bei der Herstellung von Erzeugnissen aus einem faserhaltigen Material;
• 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Formeinrichtung zum Verpressen von Vorformlingen bei der Herstellung von Erzeugnissen aus einem faserhaltigen Material;
• 5 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Verpressen von Vorformlingen bei der Herstellung von Erzeugnissen aus einem faserhaltigen Material;
• 6a-j eine schematische Darstellung des Ablaufs beim Verpressen von Vorformlingen aus einem faserhaltigen Material; und
• 7 eine schematische Darstellung eines faserhaltigen Erzeugnisses.
• 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“.
• Die Figuren zeigen Ausführungsbeispiele einer Faserformanlage 1000, von Formeinrichtungen 600, von Verfahren 2000 zur Herstellung und zum Verpressen von Erzeugnissen 3004 sowie eines Erzeugnisses 3004. Die gezeigten Ausführungsbeispiele stellen hierbei keine Einschränkung im Hinblick auf weitere Ausbildungen und Modifikationen der beschriebenen Ausführungen dar.
• 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Faserformanlage 1000 zur Herstellung von Erzeugnissen 3004 aus einem Fasermaterial. Das Fasermaterial für die Herstellung von Erzeugnissen wird im gezeigten Ausführungsbeispiel von einer Faseraufbereitungsanlage bereitgestellt und der Faserformanlage 1000 zur Verfügung gestellt. Die Bereitstellung und das zur Verfügungstellen kann bspw. über Versorgungsleitungen erfolgen, in welchen flüssige Pulpe aus einer Faseraufbereitungsanlage zu einem Vorratsbehälter oder einem Pulpebecken 200 der Faserformanlage 1000 bspw. kontinuierlich oder diskontinuierlich zugeführt wird. Alternativ kann Pulpe in einem Pulpebecken 200 der Faserformanlage 200 aufbereitet werden. Hierzu können über eine Flüssigkeitszufuhr bspw. Wasser und Faserstoffe sowie ggf. Zusätze in ein Pulpebecken 200 eingebracht und die Pulpe in dem Pulpebecken 200 durch Vermischen der einzelnen Komponenten unter Wärmeeintrag und von Hilfsmitteln, wie bspw. eines Rührers, aufbereitet werden.
• Als Pulpe wird eine wässrige Lösung bezeichnet, die Fasern aufweist, wobei der Fasergehalt an der wässrigen Lösung in einem Bereich von 0,5 bis 10 Gew.-% vorliegen kann. Zusätzlich können Zusätze, wie bspw. Stärke, chemische Zusätze, Wachs, etc. enthalten sein. Bei den Fasern kann es sich bspw. um natürliche Fasern, wie Cellulosefasern oder Fasern aus einem faserhaltigen Ursprungsmaterial (z.B. Altpapier) handeln.
• Eine Faseraufbereitungsanlage bietet die Möglichkeit, Pulpe in großer Menge aufzubereiten und mehreren Faserformanlagen 1000 zur Verfügung zu stellen.
• Über die Faserformanlage 1000 lassen sich bspw. biologisch abbaubare Erzeugnisse 3004 (siehe 7), wie bspw. Becher, Kapseln, Schalen, Teller und weitere Form- und/oder Verpackungsteile (bspw. als Halter-/Stützstrukturen für elektronische Geräte) herstellen. Da als Ausgangsmaterial für die Erzeugnisse eine faserhaltige Pulpe mit natürlichen Fasern verwendet wird, können die so hergestellten Erzeugnisse nach ihrer Verwendung selbst wieder als Ausgangsmaterial für die Herstellung von derartigen Erzeugnissen dienen oder kompostiert werden, weil diese in der Regel vollständig zersetzt werden können und keine bedenklichen, umweltgefährdenden Stoffe enthalten.
• Die in 1 gezeigte Faserformanlage 1000 weist einen Rahmen 100 auf, der von einer Verkleidung umgeben sein kann. Eine Verkleidung kann transparente Seitenwände aufweisen, über welche Stationen und Einheiten der Faserformanlage 1000 sichtbar sind und der Herstellungsprozess von Erzeugnissen optisch überwacht werden kann. Eine Verkleidung dient zum Schutz vor beweglichen und mitunter stark erwärmten Teilen der Faserformanlage 1000 sowie vor Fasermaterial aus der Pulpe und der Pulpe selbst, welche beim Herstellungsprozess „herumspritzen“ können. Über eine Tür kann ein Zugang zu Versorgungseinheiten 300 der Faserformanlage 1000 bereitgestellt werden. An der in 1 dargestellten Längsseite kann eine Verkleidung verschiebbare oder drehbare Türen aufweisen, so dass sämtliche Stationen der Faserformanlage 1000 gewartet werden können.
• Die Versorgungseinheiten 300 der Faserformanlage 1000 umfassen bspw. Schnittstellen für die Zufuhr von Medien (bspw. Wasser, Pulpe, Druckluft, Gas, etc.) und Energie (Stromversorgung), eine zentrale Steuereinheit 310, mindestens eine Absaugeinrichtung 320, Leitungssysteme für die verschiedenen Medien, Pumpen, Ventile, Leitungen, Sensoren, Messeinrichtungen, ein BUS-System, etc. sowie Schnittstellen für eine bidirektionale Kommunikation über eine drahtgebundene und/oder drahtlose Datenverbindung. Anstelle einer drahtgebundenen Datenverbindung kann auch eine Datenverbindung über eine Glasfaserleitung bestehen. Die Datenverbindung kann bspw. zwischen der Steuereinheit 310 und einer zentralen Steuerung für mehrere Faserformanlagen 1000, zu einer Faseraufbereitungsanlage, zu einer Service-Stelle und/oder weiteren Einrichtungen bestehen. Es kann über eine bidirektionale Datenverbindung auch eine Steuerung der Faserformanlage 1000 über eine mobile Einrichtung, wie bspw. ein Smartphone, Tablet-Computer oder dergleichen erfolgen.
• Die Steuereinheit 310 steht über ein BUS-System oder eine Datenverbindung mit einem HMI(Human-Machine-Interface)-Panel 700 in bidirektionaler Kommunikation. Das HMI-Panel 700 weist ein Display auf, welches Betriebsdaten und Zustände der Faserformanlage 1000 für auswählbare Bestandteile oder die gesamte Faserformanlage 1000 anzeigt. Das Display kann als Touch-Display ausgebildet sein, so dass hierüber Einstellungen per Hand von einem Operator der Faserformanlage 1000 vorgenommen werden können. Zusätzlich oder alternativ können an dem HMI-Panel 700 weitere Eingabemittel, wie bspw. eine Tastatur, ein Joystick, ein Tastenfeld etc. für Operatoreingaben vorgesehen sein. Hierüber können Einstellungen verändert und Einfluss auf den Betrieb der Faserformanlage 1000 vorgenommen werden.
• Die Faserformanlage 1000 weist einen Roboter 500 auf. Der Roboter 500 ist als sogenannter 6-Achs Roboter ausgebildet und damit in der Lage innerhalb seines Aktionsradius Teile aufzunehmen, zu rotieren und in sämtliche Raumrichtungen zu bewegen. Anstelle des in den Figuren gezeigten Roboters 500 können auch andere Handling-Einrichtungen vorgesehen sein, die dazu ausgebildet sind, Vorformlinge 3000 und/oder Erzeugnisse 3004 aufzunehmen und zu verdrehen beziehungsweise zu rotieren und in die verschiedenen Raumrichtungen zu bewegen. Darüber hinaus kann eine derartige Handling-Einrichtung auch anderweitig ausgebildet sein, wobei hierzu die Anordnung der entsprechenden Stationen der Faserformanlage 1000 von dem gezeigten Ausführungsbeispiel abweichen kann.
• An dem Roboter 500 ist ein Saugwerkzeug angeordnet. Das Saugwerkzeug weist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Negativ der zu formenden Erzeugnisse 3004 bzw. Vorformlinge 3000 ausgebildete Saugformen auf. Diese Saugformen können bspw. eine netzartige Struktur aufweisen, an der sich Fasern aus der Pulpe anlagern. Die Saugformen weisen weiter Öffnungen auf, über welche mittels eines Vakuums Pulpe angesaugt werden kann, wenn sich das Saugwerkzeug so innerhalb des Pulpebeckens 200 befindet, dass sich die Saugformen zumindest partiell in der wässrigen Faserlösung, der Pulpe, befinden. Ein Vakuum bzw. ein Unterdruck zum Ansaugen von Fasern, wenn sich das Saugwerkzeug in dem Pulpebecken 200 und der Pulpe befindet, können über die Absaugeinrichtung 320 bereitgestellt werden. Hierzu weist die Faserformanlage 1000 entsprechende Mittel bei den Versorgungseinheiten 300 auf. Das Saugwerkzeug weist Leitungen zur Bereitstellung des Vakuums/Unterdrucks von der Absaugeinrichtung 320 bei den Versorgungseinheiten 300 zu dem Saugwerkzeug und den Öffnungen in den Saugformen auf. In den Leitungen sind Ventile angeordnet, die über die Steuereinheit 310 angesteuert werden können und damit das Ansaugen der Fasern regeln. Es kann durch die Absaugeinrichtung 320 anstelle eines Ansaugens auch ein „Ausblasen“ erfolgen, wozu die Absaugeinrichtung 320 entsprechend ihrer Ausgestaltung in einen anderen Betriebsmodus geschaltet wird.
• Bei der Herstellung von Erzeugnissen aus einem Fasermaterial wird das Saugwerkzeug in die Pulpe getaucht und ein Unterdruck/Vakuum an den Öffnungen der Saugformen angelegt, so dass Fasern aus der Pulpe angesaugt werden und sich an den Saugformen des Saugwerkzeugs anlagern. Anschließend bewegt der Roboter 500 das Saugwerkzeug mit den an den Saugformen anhaftenden Fasern, die noch einen relativ hohen Feuchtigkeitsgehalt von bspw. über 80 Gew.-% an Wasser aufweisen, an eine Vorpressstation 400 der Faserformanlage 1000. Dabei wird der Unterdruck an den Saugformen aufrechterhalten. Die Vorpressstation 400 weist ein Vorpresswerkzeug mit Vorpressformen auf. Die Vorpressformen können bspw. als Positiv der zu formenden Erzeugnisse ausgebildet sein und zur Aufnahme der an den Saugformen anhaftenden Fasern eine entsprechende Größe im Hinblick auf die Gestalt der Erzeugnisse aufweisen.
• Bei der Herstellung von Erzeugnissen wird das Saugwerkzeug mit den an den Saugformen anhaftenden Fasern so zu der Vorpressstation 400 bewegt, dass die Fasern in die Vorpressformen gedrückt werden. Dabei werden die Fasern an den Saugformen miteinander verpresst, so dass hierüber eine stärkere Verbindung zwischen den Fasern erzeugt wird. Zudem wird dabei der Feuchtigkeitsgehalt der dadurch gebildeten Vorformlinge 3000 reduziert, so dass die nach dem Vorpressen gebildeten Vorformlinge3000 einen Feuchtigkeitsgehalt von höchstens 75 Gew.-% aufweisen.
• Während des Vorpressens kann Flüssigkeit bzw. Pulpe über das Saugwerkzeug und/oder über weitere Öffnungen in den Vorpressformen abgesaugt und zurückgeführt werden. Die beim Ansaugen über das Saugwerkzeug und/oder beim Vorpressen in der Vorpressstation 400 austretende Flüssigkeit bzw. Pulpe kann in das Pulpebecken 200 zurückgeführt werden.
• Nach dem Vorpressen in der Vorpressstation 400 werden die so erzeugten Vorformlinge 3000 an dem Saugwerkzeug über den Roboter 500 zu einer Formstation mit einer Formeinrichtung 600 bewegt. Hierzu wird der Unterdruck am Saugwerkzeug aufrechterhalten, damit die Vorformlinge 3000 an oder in den Saugformen verbleiben. Die Vorformlinge 3000 werden über das Saugwerkzeug auf ein erstes, unteres Presswerkzeug 616 übergeben, welches auf einer verfahrbaren Werkzeugplatte 608 entlang der Fertigungslinie aus der Formeinrichtung 600 verfahrbar ist (siehe bspw. 3a). Befindet sich die Werkzeugplatte 608 in der ausgefahrenen Position, wird das Saugwerkzeug so zu der Werkzeugplatte 608 bewegt, dass ein Vorformling 3000 auf ein erstes unteres Presswerkzeug 616 aufgesetzt werden kann. Anschließend wird über die Öffnungen im Saugwerkzeug ein Überdruck erzeugt, so dass Vorformlinge 3000 aktiv von den Saugformen abgelegt werden, oder das Ansaugen wird beendet, sodass Vorformlinge 3000 schwerkraftbedingt auf einem ersten unteren Presswerkzeug 616 verbleiben. Durch eine Bereitstellung von Überdruck an den Öffnungen der Saugformen können vorgepresste Vorformlinge 3000, die an den Saugformen anliegen/anhaften, gelöst und abgegeben werden.
• Die Werkzeugplatte 608 ist mit einem Antrieb verbunden. Der Antrieb kann über die Steuereinheit 310 geregelt werden. Der Antrieb für die Werkzeugplatte 608 kann bspw. mechanisch, elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch erfolgen und ausgebildet sein. Bspw. kann ein Spindelantrieb oder eine Zahnstange vorgesehen sein, wobei die Zahnstange als Teil der Werkzeugplatte 608 ausgebildet sein kann über ein in die Zahnstange eingreifendes Ritzel bewegt wird, welches von einem Elektromotor angetrieben wird.
• Danach wird das Saugwerkzeug über den Roboter 500 weg bewegt und das Saugwerkzeug wird in das Pulpebecken 200 getaucht, um weitere Fasern zur Herstellung von faserhaltigen Erzeugnissen anzusaugen.
• In der Formstation 600 erfolgt dann unter Wärmeeintrag ein Verpressen von Vorformlingen 3000 zu Erzeugnissen 3004, wobei zusätzlich die finale Form festgelegt wird. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt das Formen und Verpressen in einem zweistufigen Verfahren, wie nachfolgend im Detail erläutert. Dabei wird nicht nur ein Vorformling 3000 „heißgepresst“, wie bisher üblich, sondern auch der Rand von Vorformlingen 3000 verformt.
• Nach dem Pressvorgang in der Formeinrichtung 600 wird die Werkzeugplatte 608 entlang der Faserformanlage 1000 in Fertigungsrichtung bewegt und das Erzeugnis 3004 von einem unteren zweiten Presswerkzeug 636 entnommen. In alternativen Ausführungen kann auch über ein oberes zweites Presswerkzeug 638 eine Übergabe auf ein Transportband einer Fördereinrichtung 800 oder ein anderes Ausbringungsmittel erfolgen, wozu das obere zweite Presswerkzeug 638 aus der Formeinrichtung 600 in Fertigungsrichtung herausbewegt wird. Zusätzlich kann dabei das zweite obere Presswerkzeug 638 nach unten verlagert werden, um das gefertigte Erzeugnis 3004 abzulegen.
• In dem gezeigten Ausführungsbeispiel von 1 werden die Erzeugnisse 3004 auf einem Transportband einer Fördereinrichtung 800 abgelegt. Auf das Transportband können die gefertigten Erzeugnisse 3004 aus faserhaltigen Material nach dem finalen Formen und dem Verpressen in der Formstation 600 abgelegt und aus der Faserformanlage 1000 ausgebracht werden. In weiteren Ausführungen kann nach dem Ablegen der Produkte auf das Transportband der Fördereinrichtung 800 eine weitere Bearbeitung erfolgen, wie bspw. ein Bedrucken, ein Befüllen und/oder ein Stapeln der Erzeugnisse 3004. Das Stapeln kann bspw. über einen zusätzlichen Roboter oder eine andere Einrichtung erfolgen. Eine solche Einrichtung kann bspw. mindestens einen Greifer 910 aufweisen, der die auf dem Transportband abgelegten Erzeugnisse 3004 greift und in einer Kiste oder ähnlichem stapelt. Der mindestens eine Greifer 910 kann zur Erfassung der Position und Ausrichtung von Produkten mit einer optischen Einrichtung, wie bspw. einer Kamera, zusammenarbeiten, wobei die anhand der Kamera erfassten Bilder über eine Software ausgewertet werden, die dann auf Basis der ausgewerteten Bilder Steuerbefehle für den mindestens einen Greifer ausgibt.
• Zudem weist die Faserformanlage 1000 eine in Fertigungsrichtung der Formstation 600 nachgelagerte Stapeleinrichtung 900 auf. Die Stapeleinrichtung 900 weist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel zwei hintereinander angeordnete Greifereinrichtungen mit jeweils einem Greifer 910 auf. Über die Greifer 910 können einzelne Erzeugnisse 3004 nach dem Formen und Verpressen gegriffen und bspw. gestapelt werden, wie in 1 schematisch gezeigt. Vor der Stapeleinrichtung 900 ist eine Kamera 810 angeordnet, welche die Position und Ausrichtung der auf einem Transportband einer Fördereinrichtung 800 angeordneten Erzeugnisse 3004 erfasst. Die erfassten Bilder werden von der Steuerung ausgewertet, welche daraus Steuerbefehle für die Greifer 910 zum Aufnehmen der Erzeugnisse 3004 generiert.
• In weiteren Ausführungen kann eine Faserformanlage 1000 einen Kran zum Wechseln von Werkzeugen aus der Vorpressstation 400 und/oder der Formeinrichtung 600 für ein Umrüsten der Faserformanlage 1000 auf andere Erzeugnisse oder zur Wartung der Werkzeuge aufweisen.
• 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Formstation 600 zum Verpressen und Formen von Erzeugnissen 3004 aus einem faserhaltigen Material. Die Formeinrichtung 600 der Faserformanlage 1000 von 1 kann bspw. entsprechend der Formstation 600 aus 2 ausgebildet sein.
• Die Formstation 600 weist einen Werkzeugtisch 602 mit einer darauf in Fertigungsrichtung verschiebbar gelagerten Werkzeugplatte 608 auf. Auf der Werkzeugplatte 608 sind ein unteres erstes Presswerkzeug 616 und ein unteres zweites Presswerkzeug 636 angeordnet. Die Anordnung der unteren ersten und zweiten Presswerkzeuge 616, 636 ist so gewählt, dass sich diese in Fertigungsrichtung hintereinander befinden, so dass diese einem jeweiligen Bereich der Formstation 600 zugeordnet werden können. In 2 ist das untere erste Presswerkzeug 616 einer ersten Presseinrichtung 610 und das untere zweite Presswerkzeug 636 einer zweiten Presseinrichtung 630 zugeordnet. Die erste Presseinrichtung 610 und die zweite Presseinrichtung 630 sind schematisch durch die gestrichelten Linien angedeutet. Die erste Presseinrichtung 610 dient zum „Warmpressen“ von Vorformlingen 3000 und die zweite Presseinrichtung 630 dient zum „Heißpressen“ von warmgepressten Vorformlingen 3002, wobei während des Heißpressens zusätzlich ein Umformen eines warmgepressten Rands 3032 von warmgepressten Vorformlingen 3002 erfolgt. In Fertigungsrichtung erfolgt somit zuerst ein Warmpressen von Vorformlingen 3000 und danach ein Heißpressen mit gleichzeitiger Verformung des Rands 3032. Nach dem Heißpressen liegen heißgepresste Vorformlinge bzw. fertige Erzeugnisse 3004 vor.
• Die Formstation 600 weist Säulen 604 auf, die ein Tragjoch 606 halten. An dem Tragjoch 606 sind eine erste Presseinheit 614 und eine zweite Presseinheit 634 angeordnet. Die erste Presseinheit 614 und die zweite Presseinheit 634 sind mit einer ersten Werkzeugplatte 612 bzw. einer zweiten Werkzeugplatte 632 verbunden und dienen dazu, die erste Werkzeugplatte 612 und die zweite Werkzeugplatte 632 aus der in 2 gezeigten Position nach unten (siehe bspw. 3c, f, i, m) zu bewegen. Es ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel möglich, die Werkzeugplatten 612, 632 unabhängig voneinander zu bewegen. In weiteren Ausführungen können die Werkzeugplatten 612, 632 auch gemeinsam verlagert werden oder es kann auch nur eine gemeinsame Werkzeugplatte vorgesehen sein, an welcher mindestens ein erstes oberes Presswerkzeug 618 und ein zweites oberes Presswerkzeug 638 angeordnet sind. Hierzu kann eine thermische Isolation zwischen einem ersten oberen Presswerkzeug 618 und einem zweiten oberen Presswerkzeug 638 vorgesehen sein.
• Die erste Presseinheit 614 und die zweite Presseinheit 634 können bspw. jeweils als Kniehebelpresse ausgebildet sein. Anstelle einer Ausführung als Kniehebelpresse können in einer weiteren Ausführung die erste Presseinheit 614 und die zweite Presseinheit 634 durch eine linear verfahrbare Presseinrichtung realisiert sein. Presseinrichtungen können bspw. pneumatisch, hydraulisch und/oder elektrisch über entsprechende Einrichtungen angetrieben werden und die relative Verlagerung der ersten Werkzeugplatte 612 und der zweiten Werkzeugplatte 632 ausführen. Nach Maßgabe einer Steuereinheit, wie bspw. der Steuereinheit 310 der Faserformanlage 1000, können die erste Presseinheit 614 und die zweite Presseinheit 634 die Werkzeugplatten 612, 632 verlagern.
• An der Werkzeugplatte 612 ist ein oberes erstes Presswerkzeug 618 angeordnet. An der Werkzeugplatte 632 ist ein oberes zweites Presswerkzeug 638 angeordnet. Das obere erste Presswerkzeug 618 liegt dem unteren ersten Presswerkzeug 616 und das obere zweite Presswerkzeug 638 liegt dem unteren zweiten Presswerkzeug 636 gegenüber. Dabei bilden die unteren Presswerkzeuge 616, 636 ein Positiv des zu verpressenden Vorformlings 3000, 3002 und die oberen Presswerkzeuge 618, 638 bilden ein Negativ des zu verpressenden Vorformlings 3000, 3002. Im geschlossenen Zustand der ersten Presseinrichtung 610 und der zweiten Presseinrichtung 630 bilden die Presswerkzeuge jeweils eine Kavität für einen zu verpressenden Vorformling 3000, 3002 aus.
• Das untere erste Presswerkzeug 616 weist eine untere Formfläche 620 auf. Das obere erste Presswerkzeug 618 weist eine obere Formfläche 624 auf. Die obere Formfläche 624 und die untere Formfläche 620 weisen jeweils eine ebene, flache Randformfläche 622, 626 (siehe 6) auf. Die Formflächen 620, 624 bilden die Anlageflächen für einen Vorformling 3000 und definieren die Form des Vorformlings 3000 beim Warmpressen in der ersten Presseinrichtung 610.
• Das untere zweite Presswerkzeug 636 weist eine Formfläche 640 auf. Das obere zweite Presswerkzeug 638 weist eine Formfläche 650 auf. Dabei unterscheiden sich die Formflächen des ersten Presswerkzeugs und des zweiten Presswerkzeugs im Wesentlichen durch die Ausbildung im Rand für den Vorformling 3000, 3002. Die Formfläche 640 des zweiten Presswerkzeugs 636 weist eine U-förmige Randformfläche 646 mit einer umlaufenden Nut 644 auf. Die Formfläche 650 des zweiten oberen Presswerkzeugs 638 weist ein Formteil 642 auf, dass bspw. als umlaufender Formrand 652 ausgebildet sein kann, der in der geschlossenen Stellung der zweiten Formeinrichtung (siehe bspw. 3i; 6i), den zuvor warmgeformten Rand 3032 des warmgeformten Vorformlings 3002 in die Nut 644 drückt, so dass ein Erzeugnis 3004 mit einem U-förmigen Rand 3034 gefertigt werden kann.
• Die Formflächen der Presswerkzeuge und die Kavitäten der ersten Presseinrichtung 610 und der zweiten Presseinrichtung 630 können zudem einen gewissen Schwund beim Verpressen und durch Wärmeeintrag berücksichtigen, so dass bspw. die Kavität der zweiten Presseinrichtung 630 kleiner ist wie die Kavität der ersten Presseinrichtung 610.
• Das zweistufige Verfahren mit einem Warmpressen und einem nachgelagerten Heißpressen, wobei während des Schließens der zweiten Formeinrichtung 630 ein U-förmiger Rand 3034 erzeugt wird, bietet die Möglichkeit Erzeugnisse 3004 aus einem faserhaltigen Material mit einem stark verformten Rand bereitzustellen, ohne dass es aufgrund des feuchten Ursprungsmaterials beim Verpressen zu einer Beschädigung oder Zerstörung des Erzeugnisses oder Bereichen davon kommt.
• Die ersten Presswerkzeuge (unteres erstes Presswerkzeug 616, oberes erstes Presswerkzeug 618) und zweiten Presswerkzeuge (unteres zweites Presswerkzeug 636, oberes zweites Presswerkzeug 638) bestehen vorzugsweise aus einem Material mit sehr guten Wärmeleiteigenschaften. Es werden dabei bevorzugt Metalle eingesetzt. In den gezeigten Ausführungsformen können die ersten Presswerkzeuge und die zweiten Presswerkzeuge bspw. aus Aluminium bestehen.
• Für das Warmpressen in der ersten Formeinrichtung sowie für das Heißpressen in der zweiten Formeinrichtung ist ein Erwärmen der ersten Presswerkzeuge und der zweiten Presswerkzeuge erforderlich. Hierzu können die ersten Presswerkzeuge und die zweiten Presswerkzeuge direkt oder indirekt beheizbar sein. Bei einer indirekten Beheizung können in den Werkzeugplatten 608, 612, 632 Heizelemente aufgenommen sein. Die Werkzeugplatten 608, 612, 632 bestehen in diesen Ausführungen aus einem Material mit sehr guten Wärmeleiteigenschaften (bspw. Aluminium) und geben die eingebrachte Wärme an die Presswerkzeuge ab. Da in der ersten Presseinrichtung 610 ein geringeres Temperaturniveau vorherrschen soll wie in der zweiten Presseinrichtung 630 werden die jeweiligen Heizelemente entsprechend geregelt. Dabei kann in der Werkzeugplatte 608 zwischen dem unteren ersten Presswerkzeug 616 und dem unteren zweiten Presswerkzeug 636 eine thermische Isolation vorliegen, damit sich die unterschiedlichen Temperaturen nicht gegenseitig negativ beeinflussen. Eine thermische Isolation kann bspw. durch eine zweiteilige Ausführung der Werkzeugplatte 608 erreicht werden. Es kann zudem ein thermischer Isolator zwischen der Werkzeugplatte 608 und dem Werkzeugtisch 602 vorliegen, damit hierüber kein Wärmeaustausch erfolgen kann.
• Heizelemente für eine direkte oder indirekte Beheizung können bspw. Heizpatronen sein, die über die bereitgestellte elektrische Energie geregelt werden können. Hierzu kann bspw. über die Steuereinheit 310 die Regelung der Heizpatronen oder anderer Heizelemente erfolgen.
• Die ersten Presswerkzeuge und die zweiten Presswerkzeuge können bspw. austauschbar mit der Werkzeugplatte 608 sowie der ersten Werkzeugplatte 612 und der zweiten Werkzeugplatte 632 verbunden sein. In weiteren Ausführungen können die ersten Presswerkzeuge und die zweiten Presswerkzeuge auch als integraler Bestandteil der Werkzeugplatte 608 sowie der ersten Werkzeugplatte 612 und der zweiten Werkzeugplatte 632 ausgebildet sein.
• Die 3a-m zeigen verschiedene Zustände der Formeinrichtung 600 von 2 bei der Herstellung von Erzeugnissen 3004 aus einem faserhaltigen Material.
• Zunächst wird ein Vorformling 3000 bspw. über ein Saugwerkzeug von einem Roboter 500 (in 3a nicht dargestellt) zugeführt. Der Vorformling 3000 kann bspw. vorab einem Vorpressen in einer Vorpressstation 400 unterzogen werden. Der Vorformling 3000 weist bspw. einen Restfeuchtegehalt von höchstens 75 Gew.-%, bspw. etwa 70 Gew.-% auf.
• Zur Verarbeitung des Vorformlings 3000 wird zunächst die Werkzeugplatte 608 in Zeichnungsrichtung nach links herausgefahren, wie durch den Pfeil in 3a angedeutet. Die Werkzeugplatte 608 fährt entgegen der Verarbeitungsrichtung aus der Formeinrichtung 600 heraus (in 1 nach rechts). Somit befindet sich das untere erste Presswerkzeug 616 außerhalb des Formbereichs und ist zugänglich. Nun wird bspw. über den Roboter 500 mindestens ein Vorformling 3000 auf das entsprechende untere erste Presswerkzeug 616 aufgesetzt.
• Anschließend fährt die Werkzeugplatte 608 mit dem auf das untere erste Presswerkzeug 616 aufgesetzten Vorformling 3000 wieder nach rechts in die Formeinrichtung 600, wie in 3b durch den Pfeil angedeutet. Das erste untere Presswerkzeug 616 mit dem auf die Formfläche 620 aufgesetzten Vorformling 3000 befindet sich dann unterhalb des oberen ersten Presswerkzeugs 618.
• Das obere erste Presswerkzeug 618 wird dann über die erste Presseinheit 614 zusammen mit der Werkzeugplatte 612 nach unten gefahren, wie in 3c gezeigt und durch den Pfeil angedeutet. Dabei erfolgt ein Warmpressen des Vorformlings 3000 bei einer Temperatur im Bereich von 90 bis 120 °C, vorzugsweise bei etwa 100 °C. Hierzu wird das erste Presswerkzeug bereits vor dem Verpressen über Heizelemente in der ersten Presseinrichtung 610 auf die erforderliche Temperatur gebracht. Durch das Warmpressen wird der Feuchtigkeitsgehalt des Vorformlings 3000 reduziert. Dabei wird unter dem verhältnismäßig geringen Wärmeeintrag gegenüber dem Heißpressen Wasser aus dem Vorformling 3000 ausgepresst, bis dieser einen Feuchtigkeitsgehalt von etwa 40 bis 5o Gew.-%, bspw. 30 bis 45 Gew.-% aufweist. Vorzugsweise wird das Warmpressen derart geregelt, dass ein Feuchtigkeitsgehalt von etwa 40 Gew.-% im Vorformling nach dem Warmpressen vorliegt. Die Regelung kann nach Maßgabe von Parametern erfolgen, die vorab für verschiedene Vorformlinge 3000, 3002 und Erzeugnisse 3004 ermittelt wurden. Es können dabei insbesondere ein optimaler Temperaturbereich und Druck für das Warmpressen zum Erreichen der erforderlichen Restfeuchte im warmgepressten Vorformling 3002 ermittelt und eingestellt werden. Zudem kann eine optimale Zeit für das Warmpressen ermittelt und eingestellt werden.
• Beim Warmpressen wird ein Vorformling 3002 mit einem im Wesentlichen ebenen Rand 3032 über die flachen Randformflächen 622, 626 erzeugt. Aufgrund des Feuchtegehalts des warmgepressten Vorformlings 3002 ist dieser nach dem Warmpressen noch ausreichend flexibel für eine weitere Verformung. Würde ein Vorformling 3000 mit einem Feuchtigkeitsgehalt von bspw. 70 Gew.-% direkt verformt werden, käme es mindestens im Bereich der umgeformten Abschnitte zu unerwünschten Veränderungen im Material, wie bspw. einer Verdünnung, der Bildung von Rissen, etc.
• Das Warmformen stellt demgegenüber einen Vorformling 3002 bereit, der eine festere Verbindung der Fasern aufweist. Damit ist ein Umformen bzw. Verformen möglich, ohne das es zu einer Veränderung der Materialstärke und/oder Beschädigung kommt.
• Nach dem Warmformen werden die Werkzeugplatte 612 und das erste obere Presswerkzeug 618 über die erste Presseinheit 614 zusammen mit dem warmgepressten Vorformling 3002 nach oben gefahren, wie in 3d durch den Pfeil angedeutet. Hierzu wird der Vorformling 3002 über Öffnungen in der Formfläche 624 angesaugt. Die Öffnungen in der Formfläche 624 dienen dazu, beim Warmpressen austretende Feuchtigkeit abzusaugen. Es können zudem auch solche Öffnungen in der Formfläche 620 des ersten unteren Presswerkzeugs 616 vorgesehen sein. Die Öffnungen sind über Kanäle in den Werkzeugen mit einer Einrichtung zum Absaugen und/oder Ausblasen verbunden. Über Ventile und/oder andere Regelelemente kann bspw. über die Steuereinheit 310 das Absaugen und Ausblasen geregelt werden. Für das Abheben des Vorformlings 3002 von der Formfläche 620 kann ein Absaugen über das erste untere Presswerkzeug 616 unterbrochen werden. Zusätzlich kann auch ein Abheben durch Ausblasen eines Gases oder Gasgemischs (z.B. Luft) unterstützt werden. Zum Abheben wird in dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Vorformling 3002 über die Öffnungen in der Formfläche 624 angesaugt.
• Nach dem Abheben wird die untere Werkzeugplatte 608 nach links verfahren, bis das zweite untere Presswerkzeug 636 sich unter dem Vorformling 3002 und dem ersten oberen Presswerkzeug 618 befindet (3e). Dabei kann ein weiterer Vorformling 3000 wieder auf die Formfläche 620 des ersten unteren Presswerkzeugs 616 aufgesetzt werden, wie in 3e und f gezeigt.
• Anschließend wird das erste obere Presswerkzeug 618 mit dem zuvor warmgepressten Vorformling 3002 nach unten gefahren, um den Vorformling 3002 auf der Formfläche 640 abzusetzen, wie in 3f gezeigt.
• Es wird dann zumindest das Ansaugen über die Öffnungen in der Formfläche 624 unterbrochen, so dass der Vorformling 3002 schwerkraftbedingt auf der Formfläche 640 aufliegt. Anschließend werden das erste obere Presswerkzeug 618 und die Werkzeugplatte 612 über die erste Presseinheit 614 nach oben gefahren, wie in 3g gezeigt und durch den Pfeil angedeutet.
• Danach wird die Werkzeugplatte 608 wieder in Richtung des in 3h gezeigten Pfeils nach rechts in die Formeinrichtung 600 verfahren, bis sich der Vorformling 3000 und das untere Presswerkzeug 616 unterhalb des oberen Presswerkzeugs 618 sowie der Vorformling 3002 und das untere Presswerkzeug 636 unterhalb des oberen Presswerkzeugs 638 befinden.
• Es werden dann, wie in 3i gezeigt, sowohl das obere Presswerkzeug 618 nach unten verfahren, um den neuen Vorformling 3000 warmzupressen, als auch das obere Presswerkzeug 638 nach unten über die zweite Presseinheit 634 verfahren, um den zuvor warmgepressten Vorformling 3002 heißzupressen und während des Schließens der zweiten Presswerkzeuge im Bereich des Rands 3032 umzuformen. Der Ablauf für den Vorformling 3000 entspricht dem zuvor beschriebenen Ablauf, so dass hierauf nicht weiter eingegangen wird.
• Während des Schließens der zweiten Presswerkzeuge drückt das nach unten vom oberen Presswerkzeug 638 abstehende Formteil 642, bspw. ein Formrand 652, den Rand 3032 kontinuierlich mit der Schließbewegung in die Nut 644 des unteren Presswerkzeugs 636. Wenn das obere Presswerkzeug 638 seine untere Endstellung erreicht hat, ist der zuvor warmgeformte Rand 3032 in der gewünschten Weise verformt und liegt in der Nut 644 und an dem Formteil 642 an, so dass während des Heißpressens in der zweiten Formeinrichtung 630 der gesamte Vorformling einer entsprechenden Wärmeeinwirkung und im Wesentlichen dem gleichen Druck ausgesetzt ist. Über Heizelemente in der zweiten Presseinrichtung 630 bzw. den zweiten Presswerkzeugen erfolgt ein Heißpressen in einem Temperaturbereich von 170 bis 280 °C, vorzugsweise in einem Temperaturbereich von 210 bis 240 °C (bspw. bei etwa 220 °C). Durch die hohe Temperatur wird das restliche Wasser fast vollständig aus den Fasern verdampft, wobei eine starke Bindung der Fasern untereinander erreicht wird, die maßgeblich für die Eigenschaften des fertigen Erzeugnisses sind. Über Öffnungen in den Formflächen 640, 650 kann austretender Wasserdampf abgeführt werden. Wie für das Warmpressen kann ein optimaler Druck, eine optimale Temperatur, eine optimale Dauer und eine optimale Schließgeschwindigkeit, insbesondere zum zerstörungsfreien Umformen des Rands 3032, vorab ermittelt und eingestellt werden. Die Regelung kann über die Steuereinheit 310 erfolgen.
• Nach dem Heißpressen weist der Vorformling 3004 die gewünschte Restfeuchte von etwa 1 bis 10 Gew.-% und die finale Form mit einem umgeformten Rand 3034, bspw. U-förmiger Rand 3034, auf.
• Nach dem Warm- und Heißpressen werden die Presswerkzeuge nach oben gefahren, wie in 3j gezeigt. Anschließend wird die Werkzeugplatte 608 nach rechts verfahren, wie in 3k gezeigt. Der heißgepresste Vorformling 3004 mit dem umgeformten Rand 3034 wird dann von einer Handlingeinrichtung oder einem Operator von der Formfläche 640 entnommen.
• Danach fährt die Werkzeugplatte 608 wieder in die Presseinrichtung 600, wie in 3l gezeigt, und fährt weiter in die in 3m gezeigte Position, die der in 3e gezeigten Position entspricht, wobei der ab 3e beschriebene Ablauf wieder durchlaufen wird.
• 4 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Formeinrichtung 600 zum Verpressen von Vorformlingen 3000, 3002 bei der Herstellung von Erzeugnissen 3004 aus einem faserhaltigen Material. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind mehrere erste Presswerkzeuge und mehrere zweite Presswerkzeuge vorgesehen, so dass gleichzeitig mehrere Vorformlinge 3000 zu Erzeugnissen 3004 verpresst und verformt werden können.
• 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 2000 zum Verpressen von Vorformlingen 3000 bei der Herstellung von Erzeugnissen 3004 aus einem faserhaltigen Material. Bei dem Verfahren 2000 können in weiteren Ausführungen einzelne Schritte ausgelassen oder in einer anderen Abfolge durchgeführt werden, sofern das Erreichen der hierin beschriebenen Ziele und Vorteile weiterhin sichergestellt wird.
• In einem ersten Verfahrensschritt 2010 werden Vorformlinge 3000 bereitgestellt. Die Bereitstellung kann weitere Verfahrensschritte umfassen. So kann eine Bereitstellung von Pulpe über ein Pulpebecken 200 einer Faserformanlage 1000 (siehe 1) oder eine separate Faseraufbereitungsanlage umfassen, wobei Pulpe mit einem Faseranteil von 0,5 bis 10 Gew.-% in einer wässrigen Lösung bereitgestellt wird. Die Pulpe kann sich bspw. entweder bereits in einem Pulpebecken 200 befinden oder wird der Faserformanlage 1000 über entsprechende Schnittstellen und Leitungen dem Pulpebecken 200 zugeführt. Hierzu kann die Steuereinheit 310 nach Maßgabe des Füllstands des Pulpebeckens 200 die Zufuhr von Pulpe von einer entfernten Faseraufbereitungsanlage regeln. Es kann weiterhin über eine entsprechende Sensorik kontinuierlich oder in festlegbaren Zeitintervallen die Zusammensetzung der Pulpe überwacht werden. Diese Informationen werden der Steuereinheit 310 übermittelt, welche die Informationen in einen Speicher hinterlegt und/oder zur Regelung verschiedenen Stationen sowie der Heißpresseinrichtung 600 verwendet. Die gewonnenen Informationen können auch zur Bestimmung eines Restfeuchtegehalts in verschiedenen Verfahrensständen herangezogen werden. Es erfolgt zudem ein Aufheizen der Presswerkzeuge vor der Fertigung.
• In einem weiteren möglichen Verfahrensschritt zur Bereitstellung von Vorformlingen 3000 erfolgt ein Eintauchen eines Saugwerkzeugs in die Pulpe nach Maßgabe der zu fertigenden Produkte. Es wird dann Fasermaterial aus der Pulpe über bspw. eine Ansaugeinrichtung 320 angesaugt, welche von der Steuereinheit 310 entsprechend geregelt wird. Zusätzlich können Ventile in mindestens einer Versorgungsleitung zwischen der Ansaugeinrichtung 320 und den Saugformen des Saugwerkzeugs über die Steuereinheit 310 geregelt werden. Weiterhin kann die Bereitstellung von Vorformlingen 3000 ein Bewegen des Saugwerkzeugs zu einer Vorpressstation 400 und ein Vorpressen des Fasermaterials in den Saugformen und den Vorpressformen stattfinden. Nach dem Vorpressen können dann Vorformlinge 3000 für die weitere Verarbeitung vorliegen.
• In einem Verfahrensschritt 2012 erfolgt nach der Bereitstellung ein Herausfahren der Werkzeugplatte 608 aus der Formeinrichtung 600, so dass mindestens ein unteres erstes Presswerkzeug 616 zugänglich ist. Anschließend erfolgt in einem Verfahrensschritt 2014 das Aufsetzen mindestens eines Vorformlings 3000 auf die Formfläche 620 eines unteren ersten Presswerkzeugs 616. Danach erfolgt in einem Verfahrensschritt 2016 ein Zurückfahren der Werkzeugplatte 608 mit dem auf die untere Formfläche 620 aufgesetzten Vorformlings 3000.
• In einem Verfahrensschritt 2018 erfolgt ein Warmpressen, wobei ein oberes erstes Presswerkzeug 618 nach unten gefahren wird, bis die obere Formfläche 624 auch in Anlage mit dem Vorformling 3000 kommt. In dem Vorformling 3000 wird dann durch einen über das obere Presswerkzeug 618 eingebrachten Druck mittels der ersten Presseinheit 614 der Feuchtigkeitsgehalt reduziert. Zugleich unterstützt ein Wärmeeintrag in der vorstehend beschriebenen Weise das Ausbringen von Wasser und die Verfestigung des Materials des in der Kavität zwischen ersten oberen Presswerkzeug 618 und ersten unterem Presswerkzeug 616 aufgenommenen Vorformlings 3000. Beim Warmpressen wird ein ebener Rand entsprechend der bereitgestellten Form lediglich warmgepresst. In der Kavität von ersten Presswerkzeugen wird ein Vorformling 3000 lediglich in seiner Gestalt, wie er bereitgestellt wird, entwässert und erwärmt. Eine Verformung tritt dabei nicht auf. Die Gestaltung der Kavität in den ersten Presswerkzeugen erfolgt dabei nach Maßgabe der Gestalt der bereitgestellten Vorformlinge 3000.
• Nach dem Warmpressen wird in einem Verfahrensschritt 2020 die erste Kavität, gebildet durch die ersten Presswerkzeuge, geöffnet. Dabei verbleibt der warmgepresste Vorformling 3002, wie in 3d gezeigt, an der Formfläche 624 des ersten oberen Presswerkzeugs 618 (bspw. durch Ansaugen). Anschließend wird die Werkzeugplatte 608 in einem Verfahrensschritt 2022 so verfahren (vgl. 3e), bis sich ein korrespondierendes unteres zweites Presswerkzeug 636 unterhalb des ersten oberen Presswerkzeugs 618 mit dem Vorformling 3002 befindet. In weiteren Ausführungen kann in einem Verfahrensschritt 2024 gleichzeitig ein neuer Vorformling 3000 auf die freie Formfläche 620 des ersten unteren Presswerkzeugs 616 aufgesetzt werden.
• In einem Verfahrensschritt 2026 erfolgt ein Übergeben des warmgeformten Vorformlings 3002 von dem oberen ersten Presswerkzeug 618 auf die Formfläche 640 des darunter befindlichen zweiten unteren Presswerkzeugs 636, wie bspw. in 3f gezeigt. Nach der Übergabe wird in einem Verfahrensschritt 2028 die Werkzeugplatte 608 zurück in die in 3h gezeigte Ausgangsstellung innerhalb der Formeinrichtung 600 verfahren. Danach erfolgt in einem Verfahrensschritt 2030 ein Heißpressen des warmgepressten Vorformlings 3002 in einer zwischen der Formfläche 640 des unteren Presswerkzeugs 636 und der Formfläche 650 des oberen Presswerkzeugs 638 gebildeten zweiten Kavität (vgl. 3i). Während des Schließens der zweiten Kavität wird der warmgeformte Rand 3032 kontinuierlich über Formteile 642 und mindestens eine entsprechende Nut 644 verformt. Während der Umformung des Rands 2032 wird das äußere freie Ende des Rands 32 nach „innen“ in Richtung des Hauptkörpers des Vorformlings 3002, welcher direkt auf der Formfläche 640 aufliegt, die von der Nut 644 umgeben ist, verlagert.
• In weiteren Ausführungen kann gleichzeitig zum Heißpressen ein Warmpressen über die ersten Presswerkzeuge für einen neuen Vorformling 3000 in einem Verfahrensschritt 2032 durchgeführt werden.
• Danach werden in einem Verfahrensschritt 2034 zumindest die zweite Kavität geöffnet und in einem Verfahrensschritt 2036 die Werkzeugplatte 608 aus der Formeinrichtung 600 in Verarbeitungsrichtung (siehe 3k) herausgefahren. In einem Verfahrensschritt 2038 erfolgt ein Entnehmen der heißgepressten Vorformlinge mit einem umgeformten Rand 2034. Anschließend wird die Werkzeugplatte 608 wieder zurückgefahren, so dass ein Aufsetzen eines neuen Vorformlings 3000 auf die Formfläche 620 eines ersten unteren Presswerkzeugs 616 und ggf. ein Aufsetzen eines warmgeformten Vorformlings 3002 auf die Formfläche 640 eines zweiten unteren Presswerkzeugs 636 erfolgen kann. Danach kann der Ablauf mit Verfahrensschritt 2016 erneut durchlaufen werden.
• Zum Aufsetzen, Halten und Übergeben von Vorformlingen 3000, 3002, 3004 kann über Öffnungen in den Formflächen 620, 624, 640, 650 ein Ansaugen und/oder ein Beenden des Ansaugens oder sogar ein Ausblasen erfolgen. Hierzu wird die Bereitstellung eines Unter- und/oder Überdrucks entsprechend geregelt.
• Über eine Absaugeinrichtung 320 kann während des Warmpressens und/oder des Heißpressens ein Absaugen von austretender Flüssigkeit und/oder von Wasserdampf erfolgen, der durch Verdampfen der austretenden Flüssigkeit an den warmen und heißen Anlageflächen der Formflächen 620, 624, 640, 650 entsteht.
• In weiteren Verfahrensschritten kann nach der Entnahme von fertigen Erzeugnissen 3004 bzw. heißgepressten Vorformlingen ein Ablegen auf ein Transportband der Fördereinrichtung 800 erfolgen.
• Über eine Steuereinheit 310 können vor/während/nach der Herstellung von Erzeugnissen 3004 aus Fasermaterial bei den einzelnen Verfahrensschritten die bereitgestellten Drücke, die Temperaturen, Schließgeschwindigkeiten und Presszeiten nach Maßgabe von erfassten Parametern der Formeinrichtung 600, einer Faserformanlage 1000 und/oder von Vorformlingen 3000, 3002 und Erzeugnissen 3004 verändert und gesteuert werden.
• Die 6a-j zeigen eine weitere schematische Darstellung des Ablaufs beim Verpressen von Vorformlingen 3000 aus einem faserhaltigen Material, wobei auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen wird.
• Nach dem Aufsetzen eines Vorformlings 3000 mit einem ebenen Rand 3030 auf eine Formfläche 620 mit einer flachen Randformfläche 622, wie in 6a gezeigt, wird die erste Presseinrichtung 610 geschlossen (6b). Danach wird die erste Presseinrichtung 610 durch relative Verlagerung des ersten unteren Presswerkzeugs 616 und des ersten oberen Presswerkzeugs 618 geöffnet und der warmgeformte Vorformling 3002 verbleibt im ersten oberen Presswerkzeug 618, wie in 6c gezeigt. Hierzu kann bspw. ein Ansaugen erfolgen. Anschließend wird ein zweites unteres Presswerkzeug 636 unter das erste obere Presswerkzeug 618 mit dem darin gehaltenen warmgeformten Vorformling 3002 gebracht (siehe 6d), wobei sich das zweite untere Presswerkzeug 636 von dem ersten unteren Presswerkzeug 616 durch die Ausbildung einer im Wesentlichen U-förmigen Nut 644 unterscheidet. Es wird dann das erste obere Presswerkzeug 618 mit dem Vorformling 3002 nach unten verlagert und der Vorformling 3002 auf das zweite untere Presswerkzeug 636 übergeben (6e). Der flache Randformbereich 626 verhindert dabei, dass es bei der Übergabe zu einer Verformung kommt.
• Nach der Übergabe wird das erste zweite Presswerkzeug 618 abgehoben und ein ggf. bereitgestellter Unterdruck beendet, so dass der Vorformling 3002 auf der Formfläche 640 des zweiten unteren Presswerkzeugs 636 verbleibt (6f). Das zweite untere Presswerkzeug 636 wird dann zusammen mit dem Vorformling 3002 in eine Position unterhalb eines zweiten oberen Presswerkzeugs 638 verbracht (6g). Danach werden das zweite obere und untere Presswerkzeug 636, 638 geschlossen, wie in den 6h und i gezeigt. Das zweite obere Presswerkzeug 638 weist einen Formrand 652 auf, der, sobald dieser in Anlage mit dem Rand 3032 des Vorformlings 3002 kommt, den Rand 3032 mit weiterer Verlagerung kontinuierlich in die darunter befindliche Nut 644 des zweiten unteren Presswerkzeugs 636 drückt. 6i zeigt den Zustand, nachdem die zweiten Presswerkzeuge ihre Endposition eingenommen haben. Nun wird weiterhin Druck auf den Vorformling 3002 unter Wärmeeintrag ausgeübt, so dass der Vorformling 3002 schließlich final heißgepresst wird und seine endgültige Form einnehmen kann. Nach dem Heißpressen wird das zweite obere Presswerkzeug 638 relativ zum unteren Presswerkzeug 636 und dem heißgepressten Vorformling mit dem U-förmigen Rand 3034 bzw. dem fertigen Erzeugnis 3004 verlagert, so dass das Erzeugnis 3004 entnommen werden kann (6j).
• 7 zeigt eine schematische Darstellung eines faserhaltigen Erzeugnisses 3004 nach einer Verarbeitung in einer Formeinrichtung 600. Das Erzeugnis 3004 hat dabei zunächst einen Warmpressvorgang und danach einen Heißpressvorgang mit Umformung durchlaufen.
• Das Erzeugnis 3004 ist als Becher ausgebildet und steht in 7 auf dem Kopf. Das Erzeugnis 3004 weist einen Boden 3010 mit einer seitlich davon abstehenden umlaufenden Seitenwand 3020 auf. Der Boden 3010 und die Seitenwand 3020 bilden einen Hauptkörper, an dem ein seitlich abstehender Rand 3030 angeordnet ist. Im Bereich des freien Endes der Seitenwand 3020 besitzt das Erzeugnis 3004 einen Rand 3030, der als U-förmiger Rand 3034 ausgebildet ist.
• In weiteren Ausführungen kann anstelle eines U-förmigen Rands 3034 auch ein wellenförmiger Rand gefertigt werden, wozu hier bspw. mehrere Nuten 644 und Formränder 652 oder Formringe bei den zweiten Presswerkzeugen für den Heißpressvorgang vorgesehen sein können.
• Wesentlicher Vorteil bei den hierin beschriebenen Ausführungen ist, dass ohne Beschädigung und Veränderungen der Eigenschaften des Materials und des fertigen Erzeugnisses ein Umformen erfolgen kann. Dies wird unter anderem dadurch erreicht, dass ein Vorverfestigen des Materials beim Warmpressen erfolgt, und dass das Umformen bei ausreichender Flexibilität des Vorformlings durchgeführt wird, bevor der Vorformling mit Druck heißverpresst wird. Dies wird dadurch erreicht, dass das Umformen vor dem vollständigen Schließen der zweiten Presswerkzeuge bereits umgesetzt ist. Damit ist die Gefahr einer zu starken Ausformung bzw. Verhärtung des Materials und insbesondere der Oberfläche ausgeschlossen.
• Bezugszeichenliste

100

Rahmen

200

Pulpebecken

300

Versorgungseinheiten

310

Steuereinheit

320

Absaugeinrichtung

400

Vorpressstation

500

Roboter

600

Formeinrichtung

602

Werkzeugtisch

604

Säule

606

Tragjoch

608

Werkzeugplatte

610

erste Presseinrichtung

612

erste Werkzeugplatte

614

erste Presseinheit

616

unteres erstes Presswerkzeug

618

oberes erstes Presswerkzeug

620

untere Formfläche

622

untere flache Randformfläche

624

obere Formfläche

626

obere flache Randformfläche

630

zweite Presseinrichtung

632

zweite Werkzeugplatte

634

zweite Presseinheit

636

unteres zweites Presswerkzeug

638

oberes zweites Presswerkzeug

640

untere Formfläche

642

Formteil

644

Nut

646

untere U-förmige Randformfläche

650

obere Formfläche

652

Formrand

700

HMI-Panel

800

Fördereinrichtung

810

Kamera

900

Stapeleinrichtung

910

Greifer

1000

Faserformanlage

1002

Richtung

2000

Verfahren

2010-2040

Verfahrensschritt

3000

Vorformling

3002

warmgepresster Vorformling

3004

Erzeugnis

3010

Boden

3020

Seitenwand

3030

Rand

3032

warmgepresster Rand

3034

heißgepresster U-Rand

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102019127562 A1 [0005]

Claims (11)

1. Formeinrichtung zum Formen von Erzeugnissen (3004) aus einem faserhaltigen Material, mindestens aufweisend eine erste Presseinrichtung (610) und eine zweite Presseinrichtung (610), wobei die erste Presseinrichtung (610) erste Presswerkzeuge (616, 618) aufweist, die zum Formen eines Erzeugnisses mit einem sich in einer Ebene erstreckenden Rand ausgebildet sind, und wobei die zweite Presseinrichtung (630) zweite Presswerkzeuge (636, 638) aufweist, die zum Umformen des Rands ausgebildet sind.
2. Formeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die ersten Presswerkzeuge (616, 618) und/oder die zweiten Presswerkzeuge (636, 638) beheizbar sind.
3. Formeinrichtung nach Anspruch 2, wobei die ersten Presswerkzeuge (616, 618) einen ersten Formbereich zur Ausbildung eines flachen Rands und die zweiten Presswerkzeuge (636, 638) einen zweiten Formbereich zur Ausbildung eines umgeformten Rands aufweisen.
4. Formeinrichtung nach Anspruch 3, wobei der zweite Formbereich zur Ausbildung eines U-förmigen Rands ausgebildet ist.
5. Faserformanlage zum Formen von Erzeugnissen aus einem faserhaltigen Material mit mindestens einer Formeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
6. Verfahren zum Formen von Erzeugnissen (3004) aus einem faserhaltigen Material, mindestens aufweisend die folgenden Schritte: - Bereitstellen eines Vorformlings (3000) aus einem faserhaltigen Material, wobei der Vorformling (3000) einen Feuchtigkeitsgehalt von höchstens 75 Gew.-% aufweist, - erstes Verpressen des Vorformlings (3000) unter gleichzeitigem Wärmeeintrag in einer ersten Presseinrichtung (610) mit ersten Presswerkzeugen (616, 618), wobei ein Vorformling (3002) mit einem ebenen Rand (3032) erzeugt wird, und - zweites Verpressen des Vorformlings (3002) unter gleichzeitigem Wärmeeintrag in einer zweiten Presseinrichtung (630) mit zweiten Presswerkzeugen (636, 638), wobei der ebene Rand (3032) umgeformt wird, wobei - die während des zweiten Verpressens eingebrachte Temperatur höher ist als die während des ersten Verpressens eingebrachte Temperatur.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das erste Verpressen in einem Temperaturbereich von 70 bis 120 °C und/oder das zweite Verpressen in einem Temperaturbereich von 160 bis 250 °C durchgeführt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei das erste Presswerkzeug auf 70 bis 120 °C und/oder das zweite Presswerkzeug auf 160 bis 250 °C erwärmt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei während des ersten Verpressens der Feuchtigkeitsgehalt des Vorformlings auf 30 bis 50 Gew.-% reduziert wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei während des zweiten Verpressens der Feuchtigkeitsgehalt des Vorformlings auf 1 bis 10 Gew.-% reduziert wird.
11. Erzeugnis aus faserhaltigem Material, hergestellt nach einem Verfahren der Ansprüche 6 bis 10.

Images