Technisches Gebiet
[0001] Es werden ein Verfahren zur Vorbehandlung von faserhaltigem Material in einem Herstellungsprozess
zur Herstellung von dreidimensionalen Erzeugnissen, eine Vorbehandlungskammer zur
Vorbehandlung von faserhaltigem Material und eine Faserformanlage mit mindestens einer
Vorbehandlungskammer beschrieben.
[0002] Faserhaltige Materialien werden häufig eingesetzt, um bspw. Verpackungen für Lebensmittel
(bspw. Schalen, Kapseln, Boxen, Deckel, etc.) und Konsumgüter (bspw. elektronische
Geräte etc.) sowie Getränkebehälter herzustellen. Es werden auch Alltagsgegenstände,
wie bspw. Einwegbesteck und -geschirr, aus faserhaltigem Material hergestellt. Faserhaltige
Materialien umfassen natürliche Fasern oder künstliche Fasern. In letzter Zeit wird
vermehrt faserhaltiges Material eingesetzt, welches Naturfasern aufweist oder aus
solchen besteht, die bspw. aus nachwachsenden Rohstoffen oder Altpapier gewonnen werden
können.
[0003] Faserhaltige Materialien können in einem feuchten Zustand oder einem trockenen Zustand
verarbeitet werden. Bspw. können Fasern vereinzelt und die vereinzelten Fasern zu
einer vliesartigen Schicht zusammengefügt werden, wobei die vliesartige Schicht anschließend
weiterverarbeitet werden kann. Der Wasseranteil kann hier bspw. in einem Bereich von
0 bis 60 Gew.-% liegen.
[0004] Bei einer trockenen Verarbeitung wird in der Regel von einem sogenannten "Dry-Fiber"-Verarbeitungsprozess
gesprochen. Der Feuchtigkeitsanteil kann bei einer trockenen Verarbeitung bspw. 0
bis 40 Gew.-% betragen.
[0005] Sogenannte Dry-Fiber-Prozesse umfassen bspw. Papier-, Karton-, Airlaid-, compressed
Airlaid-, und NonWoven-Thermoforming-Prozesse. Airlaid bezeichnet vereinzelte Fasern
oder Faserbündel, die über ein Siebband angesaugt werden und sich an diesem zu einem
relativ lockeren Faserverbund ablegen. Bei compressed Airlaid können diese Faserschicht
anschließend verpresst sein. Alternativ können auch Vorformlinge mit einer einem herzustellenden
Produkt ähnlichen Geometrie vorgeformt werden.
Hintergrund
[0006] Dry-Fiber-Thermoforming-Prozesse unterliegen jedoch wesentlichen Einschränkungen
im Hinblick auf das Formungsvermögen. Grund hierfür sind die stofflichen Eigenschaften
von Naturfasern im trockenen Zustand. Die maximale Dehnung liegt dabei in Abhängigkeit
des verwendeten faserhaltigen Materials bei 2-5% bezogen auf den Ausgangszustand.
Ferner weist faserhaltiges Material ein schlechtes Fließverhalten auf. Damit ist das
Spektrum möglicher Produktgeometrien (Tiefe, Rippen, Hinterschnitte, Formschrägen
<10°, etc.) für Erzeugnisse aus einem faserhaltigen Material stark eingeschränkt.
[0007] Insbesondere Papier lässt sich nur sehr eingeschränkt verformen, da dieses bei Verformung
leicht zu reißen beginnt. Fluff-pulp-Materialien (z.B. Airlaid) lässt sich gegenüber
Papier leichter verformen. Jedoch wird die Verformung durch die Materialdicke der
Schicht limitiert, da ein Fließen von Fasern im Material zu einem ungewünschten Ausdünnen
der Schicht führt.
[0008] Die Herstellung von Erzeugnissen aus einem faserhaltigen Material ist bspw. aus
WO 2017/160218 A1 bekannt.
Aufgabe
[0009] Es besteht daher die Aufgabe darin eine Lösung zur Herstellung von dreidimensionalen
Erzeugnissen aus einem faserhaltigen Material anzugeben, welche die Nachteile des
Stands der Technik behebt und die Herstellung von dreidimensionalen Erzeugnissen aus
faserhaltigem Material bereitstellt, welche im Wesentlichen keinen Einschränkungen
hinsichtlich der Formtiefe und Produktgeometrie bei der Herstellung von dreidimensionalen
Erzeugnissen in einem "Dry-Fiber"-Verarbeitungsverfahren unterliegt.
Lösung
[0010] Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Vorbehandlung von faserhaltigem
Material, welches einen Wassergehalt kleiner 30Gew.-% aufweist, in einem Herstellungsprozess
zur Herstellung von dreidimensionalen Erzeugnissen gelöst, wobei faserhaltiges Material
vor mindestens einem formgebenden Prozessschritt von dreidimensionalen Erzeugnissen
einer erzeugnisspezifischen Vorbehandlung unterzogen und das faserhaltige Material
im Anschluss direkt weiterverarbeitet wird, wobei während der erzeugnisspezifischen
Vorbehandlung das faserhaltige Material mindestens teilweise befeuchtet wird.
[0011] Die Vorbehandlung des faserhaltigen Materials, welches als Rohstoff/Halbzeug der
Herstellung von Erzeugnissen zugeführt wird, ermöglicht durch Befeuchten des faserhaltigen
Materials in auswählbaren Bereichen, Erzeugnisse mit großen Formtiefen, Rippen oder
sonstigen Ausgestaltungen herzustellen, welche bisher aufgrund des trockenen Zustands
des Ausgangsmaterials nicht erreicht werden konnten. Insbesondere das Befeuchten des
faserhaltigen Materials erweitert das Prozessfenster.
[0012] Wesentlich ist dabei, dass nicht das gesamte faserhaltige Material befeuchtet werden
muss, sondern dass gezielt nur die Bereiche eines faserhaltigen Materials, welche
einer stärkeren Umformung (z.B. Seitenwände von Bechern mit Formschrägen > 10°) in
einem im Anschluss stattfindenden Formprozess unterliegen, befeuchtet werden, so dass
das faserhaltige Material in diesen Bereichen stärker verformt werden kann. Es hat
sich gezeigt, dass faserhaltiges Material, welches einen Feuchtigkeitsanteil größer
20 Gew.-% aufweist, ein besseres Fließverhalten zeigt, ohne dabei maßgeblich die Materialschicht
in diesem Bereich zu schwächen. Die Vorbehandlung und das Befeuchten erfolgen erzeugnisspezifisch,
so dass Bereiche, die keiner nachfolgenden Verformung unterliegen, bspw. nicht oder
geringfügiger befeuchtet werden.
[0013] Es kann die Befeuchtung von Bereichen des faserhaltigen Materials für ein Erzeugnis
unterschiedlich erfolgen, so dass entsprechend unterschiedliche Formtiefen bei gleichbleibender
Materialstärke des fertigen Erzeugnisses mit gleicher Produktqualität erreicht werden
können.
[0014] In Ausführungen, in welchen eine Materialbahn einer Vorbehandlung zugeführt wird,
werden Erzeugnisse aus Bereichen innerhalb der Materialbahn gefertigt. Die dazwischen
liegenden Bereiche werden nicht verformt und können anschließend wiederverwendet oder
entsorgt werden. Die nicht benötigten Bereiche werden bei dem vorstehend beschriebenen
Verfahren nicht befeuchtet.
[0015] Vorteilhafterweise erfolgt die Vorbehandlung direkt in einem Herstellungsprozess
vor einer Weiterverarbeitung (z.B. Formgebung durch Verpressen mit hohem Druck/Temperatur).
Damit kann verhindert werden, dass bspw. es zu einer Ausweitung von befeuchteten Bereichen
kommt, wobei eingebrachtes Wasser in dem faserhaltigen Material fließt. Je trockener
das faserhaltige Ausgangsmaterial ist, desto stärker kann eine Ausweitung des befeuchteten
Bereichs sein. Erfolgt die Befeuchtung unmittelbar vor einer Formgebung während eines
Herstellungsprozesses ist die Gefahr einer Beschädigung des faserhaltigen Materials
reduziert bzw. ausgeschlossen. Bei einem nachfolgendem Formprozess wird durch den
hohen Druck (bspw. 500 N/cm
2 spezifischer Flächenpressung) und die hohe Temperatur (bspw. 150 °C - 200 °C) die
zuvor eingebrachte Feuchtigkeit wieder ausgebracht, so dass das finale Erzeugnis eine
gleichmäßige Feuchtigkeit über alle Bereiche und Oberflächen aufweist. Daher tritt
nach einer Formgebung keine Ausweitung von befeuchteten Bereichen auf.
[0016] In weiteren Ausführungen kann während der erzeugnisspezifischen Vorbehandlung mindestens
eine Temperatur-, Feuchtigkeits- und/oder Dampfbehandlung und/oder eine Additivierung
des faserhaltigen Materials erfolgen. Die Behandlung kann bspw. durch Besprühen von
Bereichen und/oder gezielte Erwärmung (bspw. mittels Infrarots oder Heizstempel) erfolgen.
Weiterhin kann das faserhaltige Material bspw. innerhalb einer Kammer einem feuchten
Klima ausgesetzt werden, wobei bspw. die Oberfläche des faserhaltigen Materials befeuchtet
und/oder mit Additiven und Zusätzen versetzt wird. Mit einer optionalen oder zusätzlichen
Temperaturbehandlung lassen sich damit die Eigenschaften des faserhaltigen Materials
verbessern. Die Verbesserung der Eigenschaften des faserhaltigen Materials bezieht
sich dabei in erster Linie auf Eigenschaften, welche maßgeblich für einen nachfolgenden
Verarbeitungsschritt, wie bspw. einen Formprozess sind. Es können zusätzlich dazu
auch Eigenschaften des finalen Erzeugnisses beeinflusst werden, wobei eine solche
Behandlung häufig nach einem Formprozess stattfindet, da es durch ein Verformen bspw.
zu einer Beschädigung einer vorab aufgebrachten Barriereschicht kommen kann.
[0017] Das Einbringen von Dampf in das Material kann dabei auch eine Erwärmung dessen bereitstellen.
Hierbei kann bspw. die Temperatur bei einem nachfolgenden Pressschritt reduziert werden.
[0018] In weiteren Ausführungen kann die Vorbehandlung mindestens einen Vorbehandlungsschritt
aufweisen.
[0019] In weiteren Ausführungen kann eine selektive Vorbehandlung des faserhaltigen Materials
erfolgen. Eine selektive Vorbehandlung, welche von der Produktgeometrie des herzustellenden
Erzeugnisses abhängt, kann bspw. eine unterschiedliche Vorhandlung von Bereichen umfassen.
Dabei kann bspw. zur Erreichung von homogenen Barriereeigenschaften für ein fertiges
Erzeugnis eine ungleichmäßige Beschichtung bzw. Vorbehandlung erfolgen, so dass das
finale Erzeugnis entsprechend der Umformung dennoch eine gleichmäßige Schichtdicke
(z.B. Barriereschicht) aufweist. In weiteren Ausführungen kann eine Belegung von Bereichen
mit hoher Feuchtigkeit (20-50%) erfolgen, wobei die Befeuchtung des gesamten Bereichs
eines faserhaltigen Materials für ein Erzeugnis in Summe unter 20% bleibt, um Dampfexplosionen
im Formprozess zu vermeiden.
[0020] In weiteren Ausführungen kann das faserhaltige Material in Form von separaten Vorformlingen,
als Bogen oder als endlose Bahn der Vorbehandlung zugeführt werden.
[0021] In weiteren Ausführungen können während der selektiven Vorbehandlung nur Bereiche
vorbehandelt werden, welche in einem nachgelagerten Prozessschritt verformt werden,
so dass eine gleichmäßige Produktqualität und Eigenschaften eines fertigen Erzeugnisses
erreicht werden können.
[0022] In weiteren Ausführungen kann die Vorbehandlung mindestens von einer Seite auf die
Oberfläche des faserhaltigen Materials erfolgen. Das faserhaltige Material wir in
der Regel in einer Transportrichtung durch die Vorbehandlung geführt und weist dabei
bspw. eine Unterseite und eine Oberseite auf. Hierbei kann dann die Vorbehandlung
bspw. nur auf eine Unterseite oder eine Oberseite einwirken. In weiteren Ausführungen
kann auch eine Vorbehandlung auf die Unterseite und die Oberseite erfolgen. In weiteren
Ausführungen kann die Vorbehandlung einer Oberseite und einer Unterseite abwechselnd
erfolgen.
[0023] In weiteren Ausführungen kann die Vorbehandlung in mehreren Vorbehandlungsschritten
erfolgen, wobei in den Vorbehandlungsschritten verschiedene Vorbehandlungen durchgeführt
werden können, die je nach Anforderung in ihrer Abfolge aufeinander abgestimmt sind
oder in beliebiger Reihenfolge stattfinden können.
[0024] In weiteren Ausführungen kann die Vorbehandlung innerhalb einer Vorbehandlungskammer
erfolgen, in welcher das faserhaltige Material gegenüber äußeren Einflüssen mindestens
temporär geschützt wird. Eine solche Vorbehandlung kann bspw. eingesetzt werden, um
spezielle Vorbehandlungen in einer Atmosphäre (Druck, Temperatur, (Luft-)Feuchtigkeit)
durchzuführen, welche sich von der Atmosphäre des Herstellungsprozesses bzw. eines
Herstellungsortes unterscheidet. Für eine temporäre Entkopplung des Inneren einer
Vorbehandlungskammer können entsprechende Mittel vorgesehen sein, wie bspw. verlagerbare
Klappen oder dergleichen.
[0025] In weiteren Ausführungen können in mindestens einem Abschnitt der Vorbehandlungskammer
gegenüber der Umgebung der Vorbehandlungskammer unterschiedliche Eigenschaften vorherrschen,
wobei die Eigenschaften den Druck, die Temperatur und/oder Feuchtigkeit umfassen.
[0026] In weiteren Ausführungen können über weitere Einrichtungen (Sensoren, Kameras, etc.)
die Qualität und das Erscheinungsbild bzw. die Eigenschaften von Erzeugnissen geprüft
und bewertet werden. Werden Abweichungen von einem Sollwert festgestellt, kann über
eine Steuerung direkt eine Anpassung und Veränderung von Prozessparametern der Vorbehandlung
erfolgen, wobei bspw. Bereiche stärker oder schwächer befeuchtet werden und/oder eine
lokale Anpassung (z.B. durch Veränderung der Ausrichtung von Düsen etc.) der zu befeuchtenden
Bereiche des faserhaltigen Materials erfolgen. In weiteren Ausführungen kann auch
die Temperatur und/oder die Durchlaufgeschwindigkeit während der Vorbehandlung angepasst
werden.
[0027] In weiteren Ausführungen kann eine erste Vorbehandlung vor einem ersten Weiterverarbeitungsschritt
erfolgen, wobei anschließend mindestens eine zweite Vorbehandlung vor mindestens einem
zweiten Weiterverarbeitungsschritt erfolgt. Bspw. kann zunächst eine Vorbehandlung
erfolgen, wobei Bereiche von faserhaltigem Material befeuchtet werden, die anschließend
vorgeformt werden. Danach erfolgt ein weiteres Befeuchten von Bereichen, die schließlich
in einer finalen zweiten Formstation final umgeformt werden. Die stufenweise Vorbehandlung
bzw. Befeuchtung erfolgt damit stets unmittelbar vor dem jeweiligen Weiterverarbeitungsschritt
bzw. Formprozess, so dass die Eigenschaften des faserhaltigen Materials gezielt für
die nächste Verarbeitung beeinflusst werden.
[0028] Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch durch eine Vorbehandlungskammer zur Vorbehandlung
von faserhaltigem Material, welches einen Wassergehalt kleiner 30-Gew.-% aufweist,
gelöst, wobei die Vorbehandlungskammer Teil einer Faserformanlage zur Herstellung
von dreidimensionalen Erzeugnissen ist, wobei in der Vorbehandlungskammer eine erzeugnisspezifische
Vorbehandlung des faserhaltigen Materials durchführbar ist, und mindestens eine Einrichtung
zur Vorbehandlung aufweist, mit welcher mindestens eine Temperatur-, Feuchtigkeits-
und/oder Dampfbehandlung und/oder eine Additivierung von eingebrachtem faserhaltigen
Material durchführbar ist.
[0029] Ferner wird die vorstehend genannte Aufgabe durch eine Faserformanlage gelöst, welche
mindestens eine Vorbehandlungskammer gemäß mindestens einer der vorstehenden Ausführungen
aufweist, wobei die mindestens eine Vorbehandlungskammer vor mindestens einer Formstation
angeordnet ist.
[0030] Die vorstehenden Ausführungen zur Vorbehandlung gelten in entsprechender Weise für
eine Vorbehandlungskammer und eine Faserformanlage mit einer solchen Vorbehandlungskammer.
[0031] Weitere Merkmale, Ausgestaltungen und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden
Darstellung von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren.
Kurzbeschreibung der Figuren
[0032] In den Zeichnungen zeigt:
- Fig. 1
- eine schematische Darstellung einer Faserformanlage zur Herstellung von dreidimensionalen
Erzeugnissen aus einem faserhaltigen Material;
- Fig. 2
- eine weitere schematische Darstellung einer Faserformanlage zur Herstellung von dreidimensionalen
Erzeugnissen aus einem faserhaltigen Material; und
- Fig. 3
- eine schematische Darstellung einer weiteren Faserformanlage zur Herstellung von dreidimensionalen
Erzeugnissen aus einem faserhaltigen Material.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
[0033] 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".
[0034] Die Figuren zeigen Ausführungsbeispiele einer Faserformanlage 100 mit mindestens
einer Vorbehandlungskammer 120; 140 und mindestens einer Formstation 130; 150. Die
gezeigten Ausführungsbeispiele stellen hierbei keine Einschränkung im Hinblick auf
weitere Ausbildungen und Modifikationen der beschriebenen Ausführungen dar. So können
alternative Ausführungen zu einzelnen Ausführungsbeispielen auch bei anderen Ausführungsbeispielen
alternativ oder kumulativ vorgesehen sein.
[0035] Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Faserformanlage zur Herstellung
von dreidimensionalen Erzeugnissen aus einem faserhaltigen Material. Mit der Faserformanlage
100 lassen sich Erzeugnisse herstellen, die biologisch abbaubar sind und selbst wieder
als Ausgangsmaterial für die Herstellung von dreidimensionalen Erzeugnissen aus einem
faserhaltigen Material dienen und kompostiert werden können, weil diese in der Regel
vollständig zersetzt werden können und keine bedenklichen, umweltgefährdenden Stoffe
enthalten. Die Erzeugnisse können bspw. als Becher, Deckel, Schalen, Kapseln, Teller
und weitere Form- und/oder Verpackungsteile (bspw. als Halter-/Stützstrukturen für
elektronische oder andere Geräte) ausgebildet sein.
[0036] In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird eine Materialbahn 200 aus einem faserhaltigen
Material verarbeitet. Die Materialbahn 200 enthält Fasern natürlichen Ursprungs und
weist einen Feuchtigkeitsgehalt von weniger als 30 Gew.-% Wasser auf.
[0037] Die Faserformanlage 100 weist in dem exemplarischen Ausführungsbeispiel eine Zuführung
110 auf. Die Zuführung 100 kann, wie schematisch angedeutet, auch eine Transporteinrichtung
aufweisen, welche zum Transport einer Materialbahn 200, Bahnabschnitten oder vorgeformten
Vorformlingen dient. Die Transporteinrichtung kann verschiedenartig ausgeführt sein.
Je nach Ausbildung einer Vorbehandlungskammer 120; 140 kann eine Transporteinrichtung
auch nur bereichsweise eine Materialbahn 200 oder anderes faserhaltiges Material stützen
bzw. halten, um auch eine Behandlung von einer Unterseite her zu ermöglichen. In der
gezeigten Ausführung wird eine Materialbahn 200 von einer Rolle abgewickelt und endlos
in Verarbeitungsrichtung einer ersten Vorbehandlungskammer 120 zugeführt. Die Materialbahn
200 durchläuft die erste Vorbehandlungskammer 120 und wird dabei drei Vorbehandlungsschritten
(I., II., III.) unterzogen. In der Vorbehandlung werden Eigenschaften der Materialbahn
200 erzeugnisspezifisch selektiv beeinflusst, um eine direkt anschließende Formgebung
unterstützt bzw. erst möglich wird. Hierzu wird die Materialbahn 200 nach der Vorbehandlung
einer ersten Formstation 130 zugeführt. In der Formstation 130 werden Bereiche der
Materialbahn 200 verformt und erhalten ihre finale dreidimensionale Gestalt.
[0038] Der Vorschub der Materialbahn 200 kann über die Zuführeinrichtung 110 kontinuierlich
fortlaufend oder getaktet erfolgen. Die Vorbehandlung und die Formgebung erfolgen
im gezeigten Ausführungsbeispiel in einer Vorschubpause. Zur Gewährleistung eines
fortlaufenden Abrollens der Materialbahn 200 können Einrichtungen zum Längenausgleich
vorgesehen sein, wie sie bspw. bei Thermoformanlagen für Kunststofffolien bekannt
sind.
[0039] Die Faserformanlage 100 kann weitere Stationen und Einrichtungen aufweisen. Bspw.
kann ein Vorrat für faserhaltiges Material vorgesehen sein. In weiteren Ausführungen
kann eine Mühle zur Zerkleinerung eines Ausgangsmaterials und zur Vereinzelung von
Fasern vorgesehen sein, die anschließend als "Airlaid" einer Vorbehandlung zugeführt
werden können.
[0040] Die Vorbehandlungskammer 120 kann ein Gehäuse aufweisen, welches den Raum umgibt,
in dem die Vorbehandlung stattfindet. Eingangsseitig und ausgangsseitig weist die
Vorbehandlungskammer 120 einen Durchgang auf, der in weiteren Ausführungen verschlossen
werden kann. Damit kann der Raum innerhalb der Vorbehandlungskammer 120 gegenüber
seiner Umgebung im Wesentlichen abgedichtet bzw. entkoppelt werden, so dass innerhalb
der Vorbehandlungskammer 120 andere Zustände (Temperatur, Feuchtigkeit, Druck) mindestens
temporär vorherrschen können.
[0041] Die Vorbehandlungskammer 120 weist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel von Fig.
1 einen ersten Abschnitt I., einen zweiten Abschnitt II. und einen dritten Abschnitt
III. auf, die in noch weiteren Ausführungen voneinander getrennt und abgeriegelt oder
zumindest trenn- und abriegelbar sein können.
[0042] Die Vorbehandlungskammer 120 weist im ersten Abschnitt I. mindestens eine erste Sprüheinrichtung
122 und mindestens eine erste Heizeinrichtung 123 auf. Der zweite Abschnitt II. weist
zweite Sprüheinrichtungen 124 auf. Der dritte Abschnitt III. weist mindestens eine
zweite Heizeinrichtung 126 und dritte Sprüheinrichtungen 127 auf.
[0043] Die mindestens eine erste Formstation 130 weist ein oberes erstes Werkzeugteil 131
und ein unteres zweites Werkzeugteil 133 auf. Das erste Werkzeugteil 131 weist mehrere
Kavitäten 132 und das zweite Werkzeugteil 133 weist mehrere korrespondierende Formteile
134 auf. Zum Formen von Erzeugnissen werden die beiden Werkzeugteile 131 und 132 relativ
zueinander verfahren, wobei zwischen den Oberflächen der Kavitäten 132 und der Formteile
134 die vorbehandelten Bereiche der Materialbahn 200 unter Druck und Temperatureintrag
verpresst werden. Bspw. kann das Verpressen bei spezifischen Drücken im Bereich von
100 N/cm
2 bis 5.000 N/cm
2 und Temperaturen von 20 (Kaltverpressen) bis 250 °C (Heißpressen)erfolgen.
[0044] Nach dem der Verformung bzw. dem Verpressen in der Formstation 130 werden die gepressten
Erzeugnisse in Transportrichtung einer weiteren Station zugeführt und/oder aus der
Faserformanlage 100 ausgebracht. Eine optionale Nachbearbeitung der hergestellten
Erzeugnisse kann bspw. ein Bedrucken, Färben, Befüllen, Stapeln, etc. umfassen. Dies
kann bspw. in mindestens einer Bearbeitungsstation 160 erfolgen, wie in Fig. 3 schematisch
dargestellt.
[0045] Im ersten Abschnitt I. erfolgt während eines ersten Vorbehandlungsschritts zuerst
ein Besprühen von ersten Bereichen 210 über die ersten Sprüheinrichtungen 122 mit
einem Additiv, welches die Eigenschaften des faserhaltigen Materials im besprühten
Bereich verändert bzw. beeinflusst. Bspw. können Additive sowohl von unten als auch
von oben auf die Oberflächen der Materialbahn 200 aufgebracht werden. Wie in Fig.
2 schematisch in einer Draufsicht gezeigt, erfolgt das Besprühen kreisförmig im Bereich
der gestrichelten Linie. Die mit den Additiven versehenen Bereiche 210 werden im ersten
Abschnitt I. anschließend über die ersten Heizeinrichtungen 123 getrocknet. Um dies
zu erreichen, erfolgt ein taktweiser Vorschub, wobei in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
die Materialbahn 200 im Wesentlichen immer nur um eine vertikal angedeutete Reihe
von Bereichen 210 in Fig. 2 nach rechts bewegt wird.
[0046] Die Materialbahn 200 wird anschließend weiterbewegt. Die zuvor mit Additiven versehenen
und getrockneten Bereiche 210 werden anschließend im zweiten Abschnitt II. über die
zweiten Sprüheinrichtungen 124 einer weiteren Vorbehandlung unterzogen. Die zweiten
Sprüheinrichtungen 124 können bspw. einen Abschnitt 220 der Materialbahn 200 benetzen
und damit die den Feuchtigkeitsanteil erhöhen. Bspw. können weitere Additive aufgebracht
werden. In weiteren Ausführungen wird durch einen Dampf im zweiten Abschnitt II. das
gesamte faserhaltige Material des Abschnitts 200 der Materialbahn 200 durchsetzt.
[0047] Danach wird die Materialbahn 200 in einen dritten Abschnitt III. gebracht, in welchem
zunächst ein Trocken der Materialbahn 200 über die zweiten Heizeinrichtungen erfolgt.
Anschließend werden Bereiche 230 über die dritten Sprüheinrichtungen 127 mit befeuchtet.
[0048] Wie in Fig. 2 gezeigt, unterscheiden sich die Bereiche 210, 230, so dass durch eine
unterschiedliche Befeuchtung unterschiedliche Materialeigenschaften des faserhaltigen
Materials der Materialbahn erreicht werden können. In dem gezeigte Ausführungsbeispiel
unterliegen schräge Flächen einer größeren Verformung während des Verpressens in der
Formstation 130, so dass das faserhaltige Material in diesen Bereichen andere Eigenschaften
hinsichtlich Verformbarkeit aufweisen muss, als bspw. in einem Bodenbereich einer
herzustellenden Schale, Bechers oder Deckels. Dies wird durch die produktspezifische
selektive Befeuchtung von Bereichen des faserhaltigen Materials erreicht, welches
in feuchten Bereichen einer stärken/größeren Verformung unterworfen werden kann, als
in anderen Bereichen.
[0049] Bspw. kann eine Befeuchtung von Bereichen des faserhaltigen Materials im Bereich
von 20 bis 50 Gew.-% an Wasser erfolgen. Um zu verhindern, dass es beim nachfolgenden
Verpressen mit hohen Temperaturen zu einer Beschädigung des Materials kommt, kann
die Gesamtfeuchtigkeit des Materials in einem Formraum zwischen den Oberflächen einer
Kavität 132 und eines korrespondierenden Formteils 134 so eingestellt werden, dass
diese bspw. 20 Gew.-% nicht übersteigt. Die Einstellung erfolgt nach Maßgabe der Befeuchtung
der entsprechenden Bereiche.
[0050] Für die Steuerung der Herstellungsschritte und der Vorbehandlung weist die Faserformanlage
100 zudem mindestens eine Steuerung auf, welche in weiteren Ausführungen mit mindestens
einer Überwachungseinrichtung (z.B. Kamera, Sensoren, etc.) in Verbindung steht, um
die Befeuchtung von Bereichen des faserhaltigen Materials und die Vorbehandlung anzupassen
und zu regeln.
[0051] Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Faserformanlage 100 zur
Herstellung von dreidimensionalen Erzeugnissen aus einem faserhaltigen Material, welche
zusätzlich mindestens eine zweite Vorbehandlungskammer 140 und eine zweite Formstation
150 aufweist. Die zweite Vorbehandlungskammer 140 weist einen vierten Abschnitt IV.
und einen V. Abschnitt auf, in dem weitere Additive und/oder eine produktspezifische
Befeuchtung von zu verformenden Flächen der Materialbahn 200 erfolgt.
[0052] Bspw. kann in der ersten Vorbehandlungskammer 120 neben dem Auf- bzw. Einbringen
von Additiven eine Befeuchtung für eine Vorformung des faserhaltigen Materials erfolgen.
Hierbei erfolgt direkt nach der ersten Vorbehandlung eine Vorformung des faserhaltigen
Materials, so dass dieses im Wesentlichen bereits die Gestalt des herzustellenden
Erzeugnisses einnimmt. Anschließend kann in der zweiten Vorbehandlungskammer 140 ein
Aufbringen weiterer Additive (z.B. für eine Barriere) sowie ein (nochmaliges) Befeuchten
von zu formenden Bereichen erfolgen. Anschließend kann in der zweiten Formstation
150 das finale Formen bzw. Verpressen erfolgen.
[0053] In weiteren Ausführungen kann bspw. in einem zweiten Formschritt in einer zweiten
Formstation 150 eine Ausbildung von Rillen in einer bereits ausgeformten schrägen
Seitenwand erfolgen. Es können in weiteren Ausführungen auch andere Prägeelemente
eingebracht werden.
[0054] Darüber hinaus können in einem zweistufigen Form- bzw. Pressverfahren die Oberflächenausbildung
und die Eigenschaften des herzustellenden Erzeugnisses wesentlich beeinflusst und
verbessert werden. Bspw. kann nach einem ersten Formschritt ein erneutes Befeuchten,
bspw. des gesamten Erzeugnisses, ein Nachverpressen mit verändertem Druck und/oder
Temperatur erfolgen.
[0055] Es wird eine direkte (inline), produktspezifische Vorbehandlung von faserhaltigem
Material beschrieben, welche in einer Faserformanlage 100 einen automatischen Herstellungsprozess
bei "Dry Fiber" ermöglicht, wobei keine Einschränkungen im Hinblick auf die Produktgeometrie
aufgrund des verwendeten trockenen Fasermaterials vorherrschen.
[0056] Dabei können in einer Vorbehandlungskammer 120; 140 in ein oder mehreren Segmenten
(I., II., III. / IV., V.), eine oder mehrere Zustände des faserhaltigen Materials
verändert werden. Das faserhaltige Material kann von einer Rolle oder in Zuschnitten
zugeführt und durch die Vorbehandlungskammer 120; 140 transportiert werden. Die Vorbehandlung
kann dabei ein- oder beidseitig, einfach oder in kombinierten Anwendungen, kontinuierlich
oder in Prozessschritten erfolgen. Zudem erfolgt eine selektive Vorbehandlung, wobei
Produktgeometriespezifisch Bereiche beispielsweise mit hoher Feuchtigkeit (20-50%)
belegt werden, die Gesamtfeuchtigkeit aber im Hinblick auf Beschädigung/Schwächung
des Materials limitiert werden kann.
[0057] Zudem wird neben einer Erhöhung der Dehnung und des Fließverhaltens die Festigkeit
der geformten Erzeugnisse erhöht und die Oberfläche glatter und stabiler (kein "linting").
Vorteilhafterweise erfolgt die Vorbehandlung vor einem Prozessschritt, insbesondere
einem Formschritt. Es kann auch eine Aufteilung der Vorbehandlung vorgesehen sein,
wobei bspw. ein Vorbehandlungsschritt zwischen zwei Prozessschritte vorgesehen ist,
um z.B. nach einem Vorformen mit heißem Formwerkzeug erneut lokal Feuchtigkeit aufzubringen,
um die finale Produktgeometrie herzustellen.
[0058] Es wird zudem Energie eingespart, weil weniger Feuchtigkeit in das Material eingebracht
wird, so dass auch weniger Energie zum Ausbringen der Feuchtigkeit beim Verpressen
erforderlich ist. In weiteren Ausführungen kann nach Maßgabe des (Gesamt-)Feuchtigkeitsgehalts
auch ein "kaltes" Verpressen (bspw. bei Raumtemperatur, ca. 20 °C) erfolgen, da die
Feuchtigkeit bei hohem Druck sich im Erzeugnis verteilen kann und somit nicht zu lokal
"nassen" Bereichen führt.
Bezugszeichenliste
[0059]
- 100
- Faserformanlage
- 110
- Zuführung
- 120
- erste Vorbehandlungskammer
- 122
- erste Sprüheinrichtung
- 123
- erste Heizeinrichtung
- 124
- zweite Sprüheinrichtung
- 126
- zweite Heizeinrichtung
- 127
- dritte Sprüheinrichtung
- 130
- erste Formstation
- 131
- erstes Werkzeugteil
- 132
- Kavität
- 133
- zweites Werkzeugteil
- 134
- Formteil
- 140
- zweite Vorbehandlungskammer
- 150
- zweite Formstation
- 160
- Bearbeitungsstation
- 200
- Materialbahn
- 210
- erste Bereiche
- 220
- Abschnitt
- 230
- zweite Bereiche
1. Verfahren zur Vorbehandlung von faserhaltigem Material, welches einen Wassergehalt
kleiner 30-Gew.-% aufweist, in einem Herstellungsprozess zur Herstellung von dreidimensionalen
Erzeugnissen, wobei faserhaltiges Material vor mindestens einem formgebenden Prozessschritt
von dreidimensionalen Erzeugnissen einer erzeugnisspezifischen Vorbehandlung unterzogen
und das faserhaltige Material im Anschluss direkt weiterverarbeitet wird, wobei während
der erzeugnisspezifischen Vorbehandlung das faserhaltige Material mindestens teilweise
befeuchtet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei während der erzeugnisspezifischen Vorbehandlung mindestens
eine Temperatur-, Feuchtigkeits- und/oder Dampfbehandlung und/oder eine Additivierung
des faserhaltigen Materials erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vorbehandlung mindestens einen Vorbehandlungsschritt
aufweist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine selektive Vorbehandlung des
faserhaltigen Materials erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das faserhaltige Material in Form
von separaten Vorformlingen, als Bogen oder als endlose Bahn der Vorbehandlung zugeführt
wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 und 5, wobei während der selektiven Vorbehandlung nur Bereiche
vorbehandelt werden, welche in einem nachgelagerten Prozessschritt verformt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Vorbehandlung mindestens von
einer Seite auf die Oberfläche des faserhaltigen Materials erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Vorbehandlung in mehreren Vorbehandlungsschritten
erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Vorbehandlung innerhalb einer
Vorbehandlungskammer erfolgt, in welcher das faserhaltige Material gegenüber äußeren
Einflüssen mindestens temporär geschützt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei in mindestens einem Abschnitt der Vorbehandlungskammer
gegenüber der Umgebung der Vorbehandlungskammer unterschiedliche Eigenschaften vorherrschen,
wobei die Eigenschaften den Druck, die Temperatur und/oder Feuchtigkeit umfassen.
11. Vorbehandlungskammer zur Vorbehandlung von faserhaltigem Material, welches einen Wassergehalt
kleiner 30-Gew.-% aufweist, wobei die Vorbehandlungskammer Teil einer Faserformanlage
zur Herstellung von dreidimensionalen Erzeugnissen ist, wobei in der Vorbehandlungskammer
eine erzeugnisspezifische Vorbehandlung des faserhaltigen Materials durchführbar ist,
und mindestens eine Einrichtung zur Vorbehandlung aufweist, mit welcher mindestens
eine Temperatur-, Feuchtigkeits- und/oder Dampfbehandlung und/oder eine Additivierung
von eingebrachtem faserhaltigen Material durchführbar ist.
12. Faserformanlage, aufweisend mindestens eine Vorbehandlungskammer nach Anspruch 11,
wobei die mindestens eine Vorbehandlungskammer vor mindestens einer Formstation angeordnet
ist.