[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer expandierbaren Zellstruktur,
die wenigstens eine Zelllagen umfassende Strukturlage und wenigstens eine erste Grenzlage
aufweist, wobei die Zelllagen Zellwände der Zellstruktur im expandierten Zustand bilden,
wobei die Zellwände Längsstege und sich zwischen zwei benachbarten, in jedem Stadium
der Expansion parallel verlaufenden Längsstegen erstreckende Zwischenstege umfassen,
und wobei in der wenigstens einen Strukturlage alle Zelllagen aneinander liegen, wobei
die wenigstens eine Strukturlage in einer Expansionsrichtung, senkrecht zur Ausdehnung
der wenigstens einen Strukturlage in die Breite, in der Weise aus einem planen Zustand
zu einer Strukturlage im expandierten Zustand expandierbar ist, dass sich die Zwischenstege
gegenüber den Längsstegen aufrichten. Der plane, unexpandierte, nicht aufgerichtete
Zustand der Zellstruktur stellt zugleich den Transport- und Lagerzustand, beispielsweise
vor dem Befüllen der Zellen, dar. Die Zelllagen liegen im planen Zustand aneinander
und sind an den zur Ausbildung der Zellstruktur benötigten Fügestellen miteinander
gefügt. Durch das spätere Aufrichten und somit der Umformung der Zelllagen aus dem
planen Zustand heraus, ergeben sich letztlich die Zellen in der angestrebten und erwünschten
Form und Ausprägung. Eine Strukturlage ist die kleinste Einheit, die selbstständig
eine Zellstruktur darstellt, aber auch mit weiteren Strukturlagen zu einer größeren
Zellstruktur zusammengefügt werden kann.
[0002] In der Verpackungsbranche wird die Unterteilung von Packräumen häufig mit Hilfe von
Gefachen durchgeführt. Bei einem herkömmlichen Gefache handelt es sich um gekreuzte,
ineinander gesteckte, einzelne Karton- oder Pappstreifen. Sie werden zur Trennung
von Packgütern verwendet und haben somit eine Sortier-, zumeist aber zusätzlich auch
eine Schutzfunktion. Ein großer Vorteil gängiger Gefache besteht in der Möglichkeit,
sie in nicht expandierter, planer Form mit geringem Platzbedarf zu transportieren
und zu lagern.
[0003] Gefache erfordern einen vergleichsweise aufwändigen Herstellungsprozess. Das liegt
daran, dass die einzelnen Elemente, die Karton- oder Pappstreifen, aus denen Gefache
bestehen, zunächst aus Bögen gestanzt werden. Dabei werden auch die Schlitze hergestellt,
die für das spätere Zusammenfügen durch Zusammenstecken erforderlich sind. Die zum
Stecken benötigten Freiräume führen unter Belastung des Gefaches zu Spannungsspitzen,
was zu einer Minderung der Stabilität führt. Die gestanzten Einzelteile sind anschließend
aufwändig zu vereinzeln, zu handhaben und ineinanderzustecken. In Anbetracht der enormen
Mengen an Verpackungen und somit auch Gefachen stellt jede Lösung eine erhebliche
Verbesserung dar, welche eine vergleichbare Funktion bei kostengünstigerer Herstellung
ermöglicht.
[0004] Zudem bedingt die aufwändige Herstellung durch Stanzen hergestellter Gefache auch
große Stückzahlen, was gleichbedeutend mit einer geringen Flexibilität ist. Denn selbst
Gefache mit gleicher Zellstruktur, jedoch unterschiedlicher Höhe erfordern immer ein
neues Stanzwerkzeug.
[0005] Eine einfachere Herstellbarkeit bieten Hexagonalwabenkerne, bei denen keine aufwändige
Handhabung einzelner Bestandteile benötigt wird. Allerdings bringen herkömmliche Hexagonalwabenkerne
Nachteile mit sich, die je nach Anwendungsfall die Verwendung als Gefach ausschließen
oder stark einschränken. Beispielsweise verjüngt sich ein Hexagonalwabenkern beim
Expandieren in der Richtung quer zur Expansionsrichtung. Dies verhindert beispielsweise
einen Einsatz für effektive Verpackungslösungen, bei denen der nicht expandierte Kern
direkt mit der Verpackung verklebt und erst beim Anwender aufgerichtet wird. In diesem
Fall würden sehr ungleichmäßige, teils unbrauchbare Zellen entstehen. Ihre Verwendung
ist nur auf sehr spezielle Fälle beschränkt, wie z. B. für die Verpackung von Eiern,
wie in der Druckschrift
DE 858 224 B beschrieben.
[0006] Aus der Druckschrift
GB 1 001 804 A ist eine Verpackungseinheit bekannt, die ebenfalls auf einer expandierbaren Zellstruktur
basiert. Die entstehende Zellenstruktur, die als Gefache zum Einsatz kommt, weist
aber ausschließlich sechseckige Zellen gleicher Größe auf, wodurch die Einsatzmöglichkeiten
stark eingeschränkt sind und überdies unbrauchbare Zellen am Rand der Verpackung resultieren.
[0009] Die
US 3 809 593 A zeigt die Herstellung einzelner Zellstrukturmodule aus Bahnen und Streifen, wobei
ein Modul aus einer Boden- und eine Decklagenbahn, sowie einer Vielzahl dazwischen
angeordneten und mit diesen verklebten streifenförmigen Zwischenstegen besteht. Die
Bodenbahn wird mit der Deckbahn an den seitlichen Randbereichen verklebt, so dass
Boden- und Deckbahn eines expandierten Zellstrukturmoduls jeweils einen äußeren Zwischensteg
ausbilden. Zur Bildung beliebig großer Zellstrukturen werden die einzelnen Module
übereinander angeordnet derart, dass die Deckbahn eines unteren Moduls mit der Bodenbahn
des darüber angeordneten Moduls verklebt wird.
[0010] Die
EP 0 681 963 A1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer expandierbaren Zellstrukturlage, wobei
eine Vielzahl von Bahnen unterschiedlicher Breite übereinander angeordnet und miteinander
verklebt werden, so dass in Teilbereichen der Längsstege mehrere Materialschichten
übereinander liegen. Jede einzelne dieser Bahnen bildet sowohl Längsstege als auch
Zwischenstege aus. Ein Verbinden mehrerer Zellstrukturlagen miteinander ist nicht
offenbart.
[0011] Bei der Expansion eines herkömmlichen Hexagonalwabenkerns verändert sich, über die
ganze Länge des Kerns betrachtet, die Breite des Wabenkerns. Würde dieser dabei frei
eingespannt sein, würde sich ein Strang mit zur Mitte hin gleichmäßig verringerter
Breite ergeben. Dies ist beim herkömmlichen Expandieren jedoch meist nicht der Fall.
Der Kern wird aus der nicht expandierten Form in die expandierte Form gezogen, wobei
sich eine charakteristische Form für den gesamten Expansionsbereich einstellt.
[0012] Die Breitenreduktion und die einhergehende charakteristische Form kann auf die Einspannung
beim Expansionsvorgang in Kombination mit dem elastischen Verhalten des Materials
zurückgeführt werden. Während, entlang der Maschinenlaufrichtung (MLR) betrachtet,
die Zellen von einer ideal flachen in eine ideal hexagonale Form überführt werden,
weist jede einzelne Zelle mit zunehmendem Abstand zur Symmetrieebene eine unterschiedliche,
asymmetrische und vom regelmäßigen Sechseck abweichende Form auf. Je kleiner die Zellweite
und je länger der Expansionsbereich, desto weniger Einfluss hat die Expansion auf
die Zellgeometrie einer einzelnen Zelle.
[0013] Dies ändert sich jedoch, wenn der geforderte Kern nur wenige Zellen umfasst, wie
es beispielsweise bei der Verwendung als Gefache-Ersatz ist. Wird ein nur wenige Zellen
umfassender Wabenkern expandiert und sind seine Stirnflächen dabei eingespannt, entsteht
eine sehr ungleichmäßige Form.
[0014] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine expandierbare Zellstruktur
und ein Herstellungsverfahren für die Zellstruktur anzubieten, das eine hohe Produktivität
und Flexibilität bei der Anordnung und Gestaltung der Zellstruktur der einzelnen Zellen
bietet, eine rechtwinklige Zellstruktur ermöglicht und dabei zugleich beim Expandieren
eine definierte Verformung aufweist.
[0015] Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Die Zellstruktur wird
von einer nachfolgenden Zellstruktur durch wenigstens eine erste Grenzlage getrennt,
während die untere Bahn oder eine zweite Grenzlage zur vorausgehenden Zellstruktur
abgrenzen. Als erste Grenzlage kommt auch eine Bahn bzw. ein Abschnitt der Bahn ohne
Klebstoffauftrag in Betracht.
[0016] Die Zelllagen bilden Zellwände aus, speziell Längsstege und sich zwischen zwei benachbarten,
in jedem Stadium der Expansion parallel verlaufenden Längsstegen erstreckende Zwischenstege.
Die Zelllagen entstehen beim Zuführen von Bahnen und Streifen. In der planen Strukturlage
liegen alle Zellwände aneinander an, da die Bahnen und Streifen als plane Materialien
zugeführt werden. Die wenigstens eine Strukturlage ist in einer Expansionsrichtung,
senkrecht zur Ausdehnung der wenigstens einen Strukturlage, in der Weise aus einem
planen Zustand expandierbar, dass sich die Zwischenstege gegenüber den Längsstegen
aufrichten.
[0017] Dazu werden nach der Erfindung in einem ersten Verfahrensschritt mehrere endlose
Zelllagen als Bahnen, die über die Breite der ersten Grenzlage durchgängige, im Bereich
wenigstens einer Fügezone mit den Längsstegen verbundene Zelllagen für die Ausbildung
der Zwischenstege zugeführt. Ergänzend sind Streifen vorgesehen, die nur einen Teil
der Bahnbreite, insbesondere die Breite der Zwischenstege, einnehmen und zusätzlich
beidseitig jeweils eine Verbindungslasche für das Fügen in der Fügezone umfassen.
Die Bahnen und, wenn vorhanden, die Streifen werden lagenweise übereinander zugeführt,
sodass mehrere Lagen auf einmal ausgebildet werden können. Dies stellt einen ersten
Verfahrensschritt dar.
[0018] Die Lagen werden in einem zweiten Verfahrensschritt bahnen- bzw. streifenweise im
Bereich von Fügezonen und kontinuierlich derart durch Fügen miteinander verbunden,
dass sich an die Fügezonen jeweils ein Gelenk unmittelbar anschließt. Letzteres ergibt
sich durch das Wegbiegen der beiden verklebten Stege beim Expandieren. Vor allem bei
stärkeren, biegesteifen Materialien ist ein Vorbereiten der Biegestellen vorteilhaft.
[0019] In einem dritten Verfahrensschritt werden als ein Strang vorliegende, an den Fügezonen
verbundene Strukturlagen in Abschnitte getrennt, sodass sich nach dem Expandieren
die nach dem letzten Verfahrensschritt fertiggestellte, ursprünglich plane Zellstruktur
herausbildet. Die Länge der Abschnitte der Strukturlagen entspricht einer Wandhöhe
der Zellstruktur. Die Strukturlage ist die kleinste Einheit, die selbstständig eine
Zellstruktur darstellt, aber auch mit weiteren Strukturlagen zu einer größeren Zellstruktur
zusammengefügt werden kann. Das Zusammenfügen erfolgt so lange, bis eine Grenzlage
dies verhindert und eine neue Zellstruktur ermöglicht.
[0020] Es werden somit mehrere endlose oder quasi endlose Zelllagen übereinander zugeführt
und im Bereich der Fügezonen miteinander zu einem quasi kontinuierlichen Strang der
Strukturlagen verbunden. Nachfolgend wird der Strang in der geforderten Länge durch
Trennen in Strukturlagen zerteilt, sodass sich nach dem späteren Expandieren die Zellstruktur
mit einer Höhe, die der Länge der abgetrennten Abschnitte entspricht, herausbildet.
[0021] Ein bevorzugter Prozessablauf gliedert sich in folgende Teilschritte:
- 1. Zuführen von Streifen und Bahnen für die verschiedenen Zelllagen;
- 2. Vorbereiten der späteren Gelenkstellen durch Rillen, Ritzen oder Perforieren;
- 3. streifenförmiger Klebstoffauftrag auf die Bahnen und Streifen und
- 4. Verpressen dieser zum Strang von Strukturlagen;
- 5. diskontinuierliches Zuführen und Abtrennen der ersten, oberen Grenzlage als Abschluss
einer Zellstruktur;
- 6. Abtrennen der nicht expandierten, verklebten Strukturlagen in einen Schacht, wobei
für den Fall, dass mehrere Strukturlagen zur Zellstruktur zu verkleben sind, diese
durch den vorherrschende Druck im entsprechend gestalteten Schacht miteinander verbunden
werden;
- 7. eine plane, nicht expandierte Zellstruktur liegt beim Austritt aus dem Schacht
fertig vor.
[0022] Der Beginn einer neuen Zellstruktur wird jeweils durch eine erste, untere Bahn der
ersten Strukturlage gebildet, kann aber auch als eine gesonderte zweite Grenzlage
diskontinuierlich zugeführt werden.
[0023] Dieses Herstellungsverfahren wird zur Produktion der Zellstruktur angewendet. Werden
die Anzahl von Zelllagen, die Anzahl verklebter Strukturlagen, der Verklebungsort
oder dessen Breite variiert, ergeben sich unterschiedliche Zellstrukturen. Die Länge
der vom Strang abgetrennten Abschnitte der Strukturlage ergibt die Höhe der Zellstruktur.
Die Höhe kann auch variiert werden, indem mit einem nichtlinearen Schnitt vorteilhafte
Zellstrukturen mit unterschiedlich hohen Zellwänden entstehen.
[0024] Bevorzugt werden quasi endlose Zelllagen für mehrere Zellstrukturen zugleich zugeführt.
Beginn und Ende einer neuen Zellstruktur werden durch die Grenzlage ohne Fügezonen,
insbesondere ohne Klebstoffauftrag, an der von der Strukturlage abgewandten Seite,
also der Außenseite der einzelnen Zellstruktur, ausgebildet.
[0025] Der Unterschied beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer expandierbaren
Zellstruktur zur herkömmlichen Fertigung von Wabenkernen besteht nicht zuletzt darin,
gezielt Zelllagen, beispielsweise Papierbahnen und Papierstreifen, je nach geforderter
Zellstruktur, anordnen und definiert verkleben zu können. Die erzielte Struktur dient
dann nicht nur als Kernstruktur für Sandwichbauteile, sondern bietet auch die Möglichkeit,
anwendungsbezogen Packräume zu unterteilen. Alle so herstellbaren Packmittel nutzen
bei ihrer Expansion die kinematischen Eigenschaften von kombinierten Schubkurbel-
und Parallelkurbelgetrieben.
[0026] Bevorzugt erfolgt das Fügen bei der Herstellung mittels eines streifenförmigen Klebstoffauftrags.
Es können aber auch andere Fügeverfahren zum Einsatz kommen, wie z. B. Heißsiegeln
einer entsprechend geeigneten Materialbahn oder die Verwendung eines mit entsprechend
aktivierbaren Klebestreifen versehenen Materials. Die Aktivierung kann durch Wärme
erfolgen, aber auch auf andere Weise entsprechend der Art des Klebstoffs.
[0027] Beim nichtlinearen Abtrennen der Abschnitte können unterschiedliche Höhenverläufe
der Stegwände erzeugt werden. Hierzu ist eine entsprechend gestaltete Trenn- bzw.
Schneidvorrichtung erforderlich.
[0028] Nach dem oben beschriebenen Verfahren ist ein Teil der Variabilität in der Größe
der Fächer der Zellstruktur durch einfache Parametereinstellung möglich. Des Weiteren
werden Produkte mit verbesserten mechanischen Eigenschaften, bei denen beispielsweise
keine Spannungsspitzen infolge benötigter Stanzfreiräume für Fügeschlitze entstehen,
sowie einer vereinfachten Handhabung ermöglicht. Im Bereich des Leichtbaus, speziell
bei der sogenannten Sandwichbauweise, findet als Zellstruktur häufig ein so genannter
expandierbarer Hexagonalwabenkern als Kernschicht zwischen Deckschichten Anwendung.
Ein Vorteil bei der Herstellung derartiger Kerne nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist das sehr produktive Verfahren, mit dem ebenso kostengünstig expandierbare Zellstrukturen
produziert werden können, zugleich aber die Nachteile der herkömmlichen Hexagonalwabenkerne
vermieden werden.
[0029] Ein weiterer Aspekt betrifft eine expandierbare Zellstruktur, die wenigstens eine,
in einem Ausgangszustand zunächst plane, Zelllagen umfassende Strukturlage aufweist,
die beim Expandieren in einer Expansionsrichtung auseinandergezogen wird. Die Zelllagen,
die übereinander angeordneten und teilweise miteinander verbundenen Schichten, bilden
Zellwände, die als solche erst dann zur Wirkung gelangen, wenn die Zellstruktur expandiert
wird und damit die Zellwände aufgerichtet werden. In der Strukturlage liegen alle
Zellwände, die Längsstege und sich zwischen zwei benachbarten, in jedem Stadium der
Expansion parallel verlaufenden Längsstegen erstreckende Zwischenstege umfassen, aneinander
an. Die Strukturlage ist in einer Expansionsrichtung, senkrecht zur Ausdehnung der
Strukturlage, in der Weise expandierbar, dass sich die Zwischenstege gegenüber den
Längsstegen aufrichten und dadurch Räume, beispielsweise die Packräume für ein Gefache,
freigeben. Während im nicht expandierten, planen Zustand der Strukturlagen die Zwischenstege
im Wesentlichen parallel zu den Längsstegen liegen und einen Winkel von etwa 0° zueinander
einnehmen, vergrößert sich der Winkel in einem Gelenk beim Aufrichten auf bis zu 90°.
Sobald die Gelenke einen Winkel von nahezu 90° einnehmen, sind die Zellen der Zellstruktur
nahezu rechteckig.
[0030] Die wenigstens eine Strukturlage umfasst eine erste und eine zweite Grenzlage, von
denen eine in der Regel bereits durch die untere Bahn gebildet wird. Die andere Grenzlage,
in der Regel die obere bzw. letzte in der jeweiligen Zelllage, die in den Schacht
abgetrennt und gefördert wird, wird bevorzugt durch einen Abschnitt einer unbeleimten
Bahn gebildet. Die Grenzlagen bilden den oberen und den unteren Abschluss einer Zellstruktur.
Die Zellwände bilden zudem eine parallelkinematische Zellgeometrie aus. Allgemein
wirken in einem parallelkinematischen Mehrachssystem alle Aktoren auf eine gemeinsame
Plattform. Dadurch können die dynamischen Eigenschaften der Achsen identisch ausgelegt
werden. Die Zellwände folgen dabei den kinematischen Eigenschaften kombinierter Schubkurbel-
und Parallelkurbelgetriebe, nachfolgend als parallelkinematische Zellgeometrie bezeichnet.
Daraus folgt auch, dass alle Zwischenstege in ihrer Länge gleich sein müssen.
[0031] Über die Breite durchgängige, im Bereich wenigstens einer Fügezone mit den Längsstegen
verbundene Zelllagen sind für die Ausbildung der Zwischenstege vorgesehen. Die Breite
der Längsstege kann dabei, im nicht expandierten und im expandierten Zustand, über
die Zwischenstege hinausreichen bzw. müssen keine Zwischenstege einen äußeren, seitlich
geschlossenen Randbereich im expandierten Zustand bilden. Weiterhin sind Zelllagen
für die Ausbildung der Zwischenstege vorgesehen, die als Streifen, die nur die Breite
des Zwischenstegs und beidseitig jeweils einer Verbindungslasche für das Fügen in
der Fügezone umfassen. Durch diese Anordnung wird vorteilhafterweise bei der Expansion
der wenigstens einen Strukturlage eine mit der Expansion einhergehende, undefinierte
Verringerung der Breite der Zellstruktur verhindert.
[0032] Mehrere Strukturlagen aneinandergereiht, z. B. miteinander verklebt, bilden eine
Zellstruktur, es genügt aber auch eine einzige Strukturlage. Deren Anzahl an Zelllagen
und damit an expandierbaren Reihen von Zellen hängt ab von der Anzahl der gleichzeitig
zuführbaren Bahnen und Streifen.
[0033] Der wesentliche Unterschied der vorliegenden Erfindung zum Stand der Technik besteht
darin, dass nach der Erfindung Zellstrukturen entstehen, die in ihrer Zellgeometrie
ausschließlich auf viergliedrigen Koppelgetrieben aufbauen statt auf ausschließlich
sechsgliedrigen Koppelgetrieben, wie beim herkömmlichen Honigwabenkern. Die aneinandergereihten
und miteinander verbundenen Viergelenkketten haben lediglich einen Freiheitsgrad.
Durch eine zusätzliche Zwangsbedingung entsteht eine genau definierte Zellgeometrie
und damit einhergehend die Zellstruktur mit ihren vorteilhaften Eigenschaften.
[0034] Nach einer vorteilhaften Ausführungsform muss für jedes Fach seitlich eines zentralen
sechsgliedrigen Koppelgetriebes eine weitere Zelllage aufgebracht werden. Wechselweise
mit den durchgängigen Zelllagen, die als Bahnen zugeführt die Längs- und ggf. auch
die die Zwischenstege bilden, ist es vorgesehen, dass die nicht expandierte Zellstruktur
andere Zelllagen für die Ausbildung der Zwischenstege umfasst. Diese Zelllagen sind
als Streifen, die nur die Breite des Zwischenstegs, zuzüglich einer Verbindungslasche
auf jeder Seite für das Fügen in der Fügezone, umfassen, ausgebildet. Dadurch kommen
über die Breite abschnittsweise getrennte und bevorzugt an den gesondert vorgesehenen
Verbindungslaschen gefügte Streifen zum Einsatz, sodass unnötige Doppelungen oder
mehrfache Überlagerungen von Material vermieden werden.
[0035] Die Zellwände bilden miteinander die parallelkinematische Zellgeometrie aus, indem
in der wenigstens einen Strukturlage wenigstens ein sechsgliedriges Koppelgetriebe
durch zwei in der Expansionsrichtung hintereinander angeordnete Reihen mit jeweils
wenigstens einem viergliedrigen Koppelgetriebe flankiert wird. Das sechsgliedrige
Koppelgetriebe erstreckt sich zwischen zwei Bahnen, die dessen Längsstege bilden.
Die beiden viergliedrigen Koppelgetriebe flankieren das sechsgliedrige Koppelgetriebe
an zumindest einer Seite, die durch jeweils zwei aneinandergrenzende Zwischenstege
gebildet wird. Jedes der viergliedrigen Koppelgetriebe ist mit einem der Zwischenstege
des sechsgliedrigen Koppelgetriebes verbunden.
[0036] Nach einer Ausführungsform ist jede Strukturlage symmetrisch aufgebaut und das zentrale
sechsgliedrige Koppelgetriebe wird beidseits von der gleichen Anzahl an viergliedrigen
Koppelgetrieben flankiert. Es ist weiterhin nach einer vorteilhaften Weiterbildung
in jeder Strukturlage eine unterschiedliche Zellgeometrie mit unterschiedlichen Zellgrößen
und/oder Wandhöhen vorgesehen.
[0037] Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die nicht expandierte Zellstruktur
über die Breite durchgängige, im Bereich wenigstens einer Fügezone mit den Längsstegen
verbundene Zelllagen für die Ausbildung der Zwischenstege. Das Fügen erfolgt bevorzugt
durch Verkleben mittels zuvor aufgebrachter klebender insbesondere streifenförmiger
Bereiche, alternativ durch gesonderten Klebstoffauftrag, einen Haftklebstoff oder
auf andere geeignete Weise, wie z. B. ein Siegelverfahren. Die Fügezone muss nicht
vollständig verklebt sein, jeweils ein verklebter Bereich an den Rändern der Fügezone
ist ausreichend.
[0038] Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, beim Einsatz einer Zellstruktur als Packmittel
unterschiedliche Materialien, wie z. B. Wellpapp- und Kartonlagen miteinander zu kombinieren.
Des Weiteren hat sich als vorteilhaft erwiesen, die späteren Knickstellen bereits
vor dem Fügen der Bahnen und Streifen zum Strang der unexpandierten, planen Strukturlage
die Bahnen und Streifen mittels Rillen, Ritzen oder Perforieren entlang einer Knicklinie
vorzubereiten.
[0039] Ein weiterer Aspekt betrifft eine Verwendung einer Zellstruktur, die ein Zellwände
umfassendes Gefache ausbildet. Dabei wird eine längenveränderliche Zellstruktur mit
definierter Breitenänderung als ein Packmittel verwendet. Das Packmittel bildet auf
Basis einer expandierbaren Zellstruktur, die ein Stegwände umfassendes Gefache, insbesondere
zur Anordnung in einer Faltschachtel, aus. Dabei ist eine expandierbare Zellstruktur
als Gefache vorgesehen. Vorteilhafterweise verlaufen die Stegwände im vollständig
expandierten Zustand des Gefaches, wenn die Gelenke zwischen Längs- und Zwischenstegen
einen Winkel von nahezu 90° einnehmen, rechtwinklig zueinander und parallel zu den
Außenkanten des Packmittels. Ein besonderer Vorzug ergibt sich demnach, wenn das Gefache
als eine Faltschachtel-Inneneinrichtung verwendet wird. Das Gefache kann auch mit
unterschiedlich großen Fächern und Steghöhenverläufen ausgebildet sein. Zudem muss
die Zellstruktur nicht zwangsläufig 90° überexpandiert, sondern mit anderen Winkeln,
beispielsweise mit 45° verbaut, werden.
[0040] Es ist weiterhin vorgesehen, dass die zuvor beschriebene expandierbare Zellstruktur
auch als ein längenveränderliches Erzeugnis mit definierter Breitenänderung, wie z.
B. in der Möbelbranche oder als druckfester Sandwichkern, vorteilhaft Verwendung findet.
Dies ist beispielsweise auch mit lokal variierenden Trageigenschaften möglich, insbesondere
indem die Zellgröße lokal, z. B. entsprechend der erwarteten Belastung, variiert wird.
So resultieren durch lokal variierte Zellstrukturen Sandwichkernmaterialien mit partiell
unterschiedlichen Trageigenschaften.
[0041] Die Erfindung bietet eine Abwandlung des Herstellungsverfahrens für herkömmliche
Wabenstrukturen an, sodass mit diesem eben solche aufrichtbaren Zellstrukturen sehr
effektiv hergestellt werden können. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren bietet
wesentliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik, z. B. durch andere, vor allem
flexible Klebemuster in Abhängigkeit von der vorgesehenen Zellstruktur, die mögliche
Verwendung von Streifen statt Bahnen und der Umstand, dass keine endlose Zellstruktur
resultiert, sondern durch die unbeschichtete, kleberfreie Grenzlage einzelne Produkte
trotz quasi kontinuierlicher Fertigung gebildet werden. Auf einfache Weise können
Zellstrukturen, insbesondere mit sich wiederholendem Muster, durch Aneinanderreihung
und Verklebung von Strukturlagen hergestellt werden.
[0042] Weitere wesentliche Vorteile der vorliegenden Erfindung liegen in der Anordnung von
Stegelementen zur Bildung kinematischer Strukturen, welche bei der Expansion beispielsweise
ein auf eine Aufgabe zugeschnittenes Packmittel ergeben. Das erfindungsgemäße Verfahren
bietet darüber hinaus folgende Vorteile:
- das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf und ist angelehnt an ein industriell erprobtes
Verfahren zur Herstellung bekannter Hexagonalwabenkerne als Zellstruktur;
- nur wenige Verfahrensschritte - dafür aber mehrfach wiederholt bzw. parallel ausgeführt
- werden benötigt, was zu einem überschaubaren Prozess und Produktionssicherheit führt;
- hohe Produktivität durch kontinuierliche Verarbeitung von Bahnen und Streifen;
- kostengünstige Herstellung von Produkten;
- sehr variables Verfahren in Bezug auf die Produkthöhe und die Mehrfachanordnung eines
Musters bzw. einer Strukturlage in einer Zellstruktur;
- hohe Ausbringung bei kostengünstiger Produktion;
- Verarbeitung verschiedenster Materialien möglich, auch innerhalb eines Packmittels
(z. B. auch Wellpappe).
[0043] Die Verwendung als Packmittel bietet, je nach Ausführungsform, folgende vorteilhafte
Eigenschaften:
- Form und Geometrie sehr flexibel für einzelne Anwendungen bzw. zu verpackende Gegenstände
gestaltbar;
- anpassbar durch verschiedene Zellgrößen, -formen und -kombinationen sowie Materialien,
die in einer Einheit realisierbar sind;
- expandierbar bzw. auffaltbar, dadurch geringe Lager- und Transportkosten;
- Produkte mit variabler Höhe können hergestellt werden;
- definierte Breitenreduktion der Zellstruktur bei der Expansion, so dass die typische
Breitenreduktion herkömmlicher Hexagonalwabenkerne vermieden wird;
- Schwachstellen, wie beispielsweise Stanzfreiräume von Gefachen, werden vermieden,
wodurch eine Schwächung der Struktur, vor allem durch konstruktionsbedingten Spannungsspitzen
unter Belastung, entfällt;
- Mehrfachwände mit nahezu beliebigem Abstand können als Schutzfunktion bzw. zur Verstärkung
geschaffen werden.
[0044] Die Verpackungsbranche stellt nur eine beispielhafte Anwendung für die Zellstruktur
dar. So könnten auch weitere längenveränderliche Gegenstände, beispielsweise für die
Möbelbranche, nach dem erfindungsgemäßen Prinzip hergestellt werden. Auch können derart
hergestellte Zellstrukturen als spezielle Kernschichten für Sandwichverbünde Verwendung
finden.
[0045] Anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und ihrer Darstellung in den zugehörigen
Zeichnungen wird die Erfindung anhand des Stands der Technik, sowie Ausführungsformen
von Zellstrukturen und einer Zellstrukturherstellvorrichtung nachfolgend näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1: eine Draufsicht auf einen Wabenkern nach dem Stand der Technik;
Fig. 2: Draufsichten auf drei exemplarische Zwischenzustände eines Wabenkerns nach
dem Stand der Technik während der Expansion in einen überexpandierten Zustand;
Fig. 3: eine perspektivische Ansicht eines Gefaches nach dem Stand der Technik;
Fig. 4: eine schematische Draufsicht auf drei exemplarische Zwischenzustände einer
Ausführungsform einer Zellstruktur während der Expansion;
Fig. 5: eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Zellstruktur
mit unterschiedlichen Wandhöhen nach der Expansion;
Fig. 6: eine schematische Draufsicht einer Ausführungsform einer Zellstruktur, optimiert
hinsichtlich Materialausnutzung, gefügt aus Materialbahnen und -streifen;
Fig. 7: eine schematische perspektivische Ansicht einer Zellstrukturherstellvorrichtung
zur Durchführung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 8: eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer mittels
des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Zellstruktur in drei Stufen der Aufrichtung
und
Fig. 9: eine schematische perspektivische Ansicht eines Packmittels, verwandt als
Inneneinrichtung einer Faltschachtel.
[0046] Fig. 1 zeigt in der Draufsicht einen Wabenkern 1 nach dem Stand der Technik, der
mit zwei parallelen Ebenen gefügt und anschließend expandiert wird und bei dem die
einzelnen Waben durch Zellseparatoren 2 gebildet werden. Charakteristisch ist der
Wechsel zwischen Einzel- und Doppelstegen die sich durch die Verklebung einzelner
Zelllagen ergeben. Es zeigt sich, dass die gesamte Struktur im mittleren Bereich einschnürt
und sich in der Breite verringert. Diese gängige Breitenreduktion zeigt das für viele
Anwendungen nachteilige Verhalten eines herkömmlichen Wabenkerns, das mit der vorliegenden
Erfindung überwunden wird.
[0047] Fig. 2 zeigt weitere Draufsichten auf drei exemplarische Zwischenzustände eines Wabenkerns
1 nach dem Stand der Technik während der Expansion, wobei ebenfalls zunächst vollständig
unexpandierte und somit im Auslieferungszustand vorliegende Wabenkerne aufgerichtet
und in eine sechseckige Wabenform gebracht werden. Ein nach oben gerichteter Pfeil
zeigt die Expansionsrichtung an, in die der Wabenkern 1 auseinandergezogen wird. Danach
werden die Zellen weiter gestreckt, bis eine nahezu rechteckige Form erreicht wird.
Auch hier ist erkennbar, dass sich die Breite des Wabenkerns 1 bei der Expansion ungleichmäßig
verringert.
[0048] Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Gefaches 6 nach dem Stand der Technik,
wobei die einzelnen Zellen durch vier Gefachewände 7 gebildet werden. Diese weisen
eine feste Länge auf, sodass beim Zusammenfalten und Auseinanderfalten ein Mechanismus
basierend auf dem Prinzip von Parallelkurbelgetrieben wirkt. Nachteilig ist jedoch
die aufwändige Herstellung derartiger Gefache, da die benötigten Zuschnitte vergleichsweise
aufwändig herzustellen und ineinander zu stecken sind. Die zum Ineinanderstecken benötigten
eingestanzten Schlitze vermindern darüber hinaus die Stabilität und Festigkeit und
fördern die Entstehung und das Wachsen von Rissen im Material.
[0049] Fig. 4 zeigt eine schematische Draufsicht auf drei exemplarische Zwischenzustände
einer Ausführungsform einer Zellstruktur 20, umfassend eine Strukturlage 50 samt Grenzlage
32 während der Expansion. Nach dem planen, unexpandierten Zustand unter Buchstabe
a) beginnt das Aufrichten in Pfeilrichtung, der Expansionsrichtung 12. Unter Buchstabe
b) wird die teilweise aufgerichtete Zellstruktur 20 gezeigt, wobei das Ausführungsbeispiel
aus mehreren rechteckigen Zellen besteht, die in Expansionsrichtung den Bedingungen
von Schubkurbeln mit gleich langen Kurbel- und Koppellängen sowie in Querrichtung
den Bedingungen von Parallelkurbeln mit gleich langen Kurbeln genügen. Aus der beispielhaften
Anordnung ergibt sich zudem eine sechseckige Zelle, die sich bei maximaler Aufrichtung
an ein Rechteck annähert. Buchstabe c) zeigt die vollständig aufgerichtete Zellstruktur
20`.
[0050] Die Zellen der Zelllage 31, der Strukturlage 50 bzw. der Zellstruktur 20` werden
durch Längsstege 34 und Zwischenstege 36 gebildet. Die Abgrenzung nach außen, zu einer
weiteren Zellstruktur 20, erfolgt durch jeweils eine Grenzlage 32, die als eine Bahn
zugleich den Längssteg 34 bildet. Die Längsstege 34 sind mit den Zwischenstegen 36
über Gelenke 37 verbunden. Die Zellstruktur 20, 20' ist von der Erfindung nicht umfasst,
da sie nur aus Bahnen, ohne Streifen, besteht.
[0051] Fig. 5 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer
Zellstruktur 10" mit unterschiedlichen Wandhöhen. Dies wird erreicht, indem die Zellstruktur
10" beim Abtrennen der Strukturlage, hier nur auf einer Seite, der Oberseite, nicht
geradlinig geschnitten wird. Stattdessen wird das gewünschte Höhenprofil durch die
Wahl einer Schnittlinie beim Schnitt berücksichtigt.
[0052] Fig. 6 zeigt eine schematische Ansicht von oben einer weiteren Ausführungsform einer
Zellstruktur 10', deren Zelllagen 31 aus Bahnen 122, 122', aber auch aus Streifen
132, 132' (vergleiche auch Fig. 7) besteht. Die Bahnen 122, 122' kommen dabei im gezeigten
Ausführungsbeispiel für die Längsstege 34 zum Einsatz und sind mit mehreren Zwischenstegen
36 in jeweils einer Fügezone 38 über Verbindungslaschen 39 verbunden. Die Zwischenstege
36 sind dabei aus den Streifen 132, 132` ausgebildet, die die Breite des Zwischenstegs
36 zuzüglich Verbindungslaschen 39 aufweisen. Das Gelenk 37 bildet sich zwischen Zwischensteg
36 und Verbindungslasche 39 aus. Dies ist der Fall in der Strukturlage 50' und ebenfalls
unmittelbar anschließend an die Fügezone 38.
[0053] Das Prinzip beim Aufrichten führt dazu, dass erwünschten Räume, Hohlräume bzw. Zellen
entstehen. Bei der Verwendung von Bahnen in Kombination mit Streifen kann eine vorteilhafte
ressourcenschonende Zellstruktur 10', 10" hergestellt werden.
[0054] Fig. 7 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer
Vorrichtung 110 zur Herstellung einer Zellstruktur 10. Das Aufrichten zur Zellstruktur
10`, hier bereits mit dargestellt, erfolgt vorteilhafterweise später, insbesondere
unmittelbar vor der Anwendung. Hier kommen nicht nur Bahnen 122, 122', sondern auch
Streifen 132, 132` zum Einsatz. Dies führt in Kombination mit dem streifenförmigen
Klebstoffauftrag, die entsprechend der vorgesehenen Zellstruktur gezielt aufgebracht
werden, zu einer Zellstruktur 10, aus der bei der späteren Expansion die Zellstruktur
10' gemäß Fig. 6 resultiert.
[0055] Neben den Bahnen 122, 122', die von Bahnrollen 120, 120' entnommen werden, sind auch
Streifen 132, 132` zur Bildung von Zelllagen 31 (vgl. Fig. 4 und 6) vorgesehen. Diese
liegen in der Vorrichtung als Streifenrollen 130, 130' vor. Zur Herstellung der Fügezonen
sind Einrichtungen zum Kleberauftrag, ausgeführt als Auftrageinrichtungen 144, 144'
vorgesehen. Weiterhin ist eine Auftrageinrichtung 144" vorgesehen und derart ausgestaltet,
dass ein intermittierender Klebstoffauftrag erfolgen kann. Bei unterbrochenem Klebstoffauftrag
wird aus der Bahn 122 eine Grenzlage 32 gebildet, die eine Zellstruktur 10 von der
nächstfolgenden abgrenzt, da die dann aneinander liegenden Strukturlagen 50 der beiden
aufeinander folgenden Zellstrukturen 10 mangels Klebstoff nicht verkleben.
[0056] Es erfolgt weiterhin ein Verpressen der Bahnen 122, 122' und Streifen 132, 132' in
dem gebildeten Strang der Strukturlagen 50 mittels Anpressrollen 142 zu einem Strang
von Strukturlagen 50, gefolgt von dem Abschneiden der einzelnen Abschnitte von Strukturlagen
50 mittels Schneidvorrichtung 146 und Verpressen in einen Schacht 150. Zum Abschluss
wird ein Abschnitt der Bahn 122 ohne Klebstoff als Grenzlage 32 in die Schneidvorrichtung
146 gefördert, von dieser ein Abschnitt abgetrennt und im Schacht 150 mit den dort
bereits vorliegenden Strukturlagen 50 verpresst. Die aus dem Schacht 150 ausgegebene
Zellstruktur 10 kann danach oder später aufgerichtet werden.
[0057] Fig. 8 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer
mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Zellstruktur 10 in drei Stufen
der Aufrichtung
[0058] Die dargestellte Zellstruktur 10 umfasst eine einzelne Strukturlage 50 mit Zelllagen
31, die als Bahnen 122 und Streifen 132 zugeführt worden sind. Die Längsstege 34 stehen
über die äußeren Fügezonen 38, an denen die Zwischenstege 36 mit den Längsstegen 34
verbunden sind, hinaus. Die Position der Zwischenstege 36 ist frei wählbar und über
die Zuführung der Streifen 132 und deren Lage über die Arbeitsbreite einstellbar.
Den Abschluss bildet die Grenzlage 32. Die Zellstruktur 10 weist keine Sechseckstruktur
auf.
[0059] Fig. 9 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Packmittels, verwandt
als Inneneinrichtung einer Faltschachtel 60, umfassend eine Ausführungsform einer
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Zellstruktur 10, und dessen Aufrichtung
in den Schritten a) bis g)
[0060] Die Grenzlagen 32 bestehen hier aus beispielsweise silikonbeschichtetem Trennpapier,
das später wieder entfernt wird, damit die nachfolgende Verklebung mit einem Faltschachtelzuschnitt
62 gewährleistet werden kann. Die Zellstruktur 10 wurde mit Haftklebstoff gefügt.
Dies wird in der Schritten a) und b) dargestellt.
[0061] Im nächsten Schritt (Darstellung b) wird die Grenzlage 32, das Trennpapier, entfernt
und die Zellstruktur 10 mit freigelegten klebenden Bereichen (Darstellung c) mit einem
entsprechenden Faltschachtelzuschnitt 62 gefügt (Darstellung d).
[0062] Beim Aufrichten der Faltschachtel 60 in den Schritten e) bis g) wird auch die Zellstruktur
10' aufgerichtet, es entsteht das fertige Packmittel. In diesem Fall ersetzt die Faltschachtel
60 mit den Wänden des Faltschachtelzuschnitts 62 beide Grenzlagen 32, die nur während
der Fertigung als Trennpapier temporär zum Einsatz kamen.
Bezugszeichenliste
[0063]
- 1
- Wabenkern (Stand der Technik)
- 2
- Zellseparator (Stand der Technik)
- 6
- Gefache (Stand der Technik)
- 7
- Gefachewand (Stand der Technik)
- 10
- Zellstruktur (mit Streifen)
- 10'
- Zellstruktur (mit Streifen, aufgerichtet)
- 10"
- Zellstruktur (mit Streifen, aufgerichtet, Höhe variierend)
- 12
- Expansionsrichtung
- 20
- Zellstruktur (ohne Streifen)
- 20'
- Zellstruktur (ohne Streifen, aufgerichtet)
- 30
- sechsgliedriges Koppelgetriebe
- 31
- Zelllage
- 32
- Grenzlage
- 34
- Längssteg
- 36
- Zwischensteg
- 37
- Gelenk
- 38
- Fügezone
- 39
- Verbindungslasche
- 40
- viergliedriges Koppelgetriebe
- 50
- Strukturlage einer Zellstruktur
- 50'
- Strukturlage einer Zellstruktur (aufgerichtet)
- 60
- Faltschachtel
- 62
- Faltschachtelzuschnitt
- 110
- Vorrichtung (Bahnen und Streifen)
- 120,120'
- obere, untere Bahnrolle
- 122,122'
- obere, untere Bahn
- 130,130'
- obere, untere Streifenrolle
- 132,132'
- oberer, unterer Streifen
- 142
- Anpressrollen
- 144,144'
- obere, untere Auftrageinrichtung
- 144"
- Auftrageinrichtung (zur Grenzlagenbildung)
- 146
- Schneidvorrichtung
- 150
- Schacht