Fasermaterial

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Behälters aus Fasermaterial und einen nach diesem Verfahren hergestellten Behälter, insbesondere eine Verpackung für eine Zahnbürste oder ein Interdentalreinigungsgerät.

STAND DER TECHNIK

Verpackungen für Konsumartikel, beispielsweise für Lebensmittel oder Hygieneartikel wie Zahnbürsten oder dergleichen, müssen üblicherweise in großer Stückzahl und möglichst kostengünstig hergestellt werden. Herkömmliche Verpackungen bestehen beispielsweise aus einer Schale, die durch Aufkleben einer Folie verschlossen wird. Die Schale besteht üblicherweise aus Kunststoff. Eine derartige Verpackung ist in EP 3 611 108 A1 offenbart.

Die Herstellung einer solchen Schale erfolgt üblicherweise durch thermische Umformung (Thermoformen) einer Kunststofffolie. Dabei wird ein flach liegender Zuschnitt einer Kunststofffolie durch Erwärmen plastifiziert und mittels eines Tiefziehstempels und ggf. zusätzlich mit Druckluft oder Anlegen eines Unterdrucks zu einer Schale umgeformt. Analog zum Tiefziehen von Metallblechen wird dieser Prozess häufig auch als Tiefziehen bezeichnet. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in EP 0 536 517 A1 und WO 2016/095892 A1 offenbart.

Durch die thermische Belastung und die Verformung der Kunststofffolie beim Umformen verringert sich die Dicke der Folie im Bereich der Seitenwände der Schale. Um die Verringerung der Foliendicke auszugleichen und die für die Formstabilität erforderliche Wandstärke zu gewährleisten, wird deshalb häufig eine Folie mit besonders großer Dicke als Ausgangsmaterial verwendet. Dies hat den Nachteil, dass mehr Material eingesetzt werden muss als eigentlich nötig, da auf diese Weise die Wandstärke im Bereich des Bodens der Schale größer ausfällt als eigentlich erforderlich. Zur Lösung dieses Problems schlägt die EP 0 536 517 A1 vor, dass durch Verwendung eines Kunststoffes mit geschlossenen Poren die erforderliche Materialmenge reduziert werden kann.

Ein weiterer Nachteil der herkömmlichen Herstellungsverfahren besteht darin, dass die Kunststofffolie nach dem Umformen auf die nötige Größe zugeschnitten werden muss. Dabei fällt häufig überschüssiger Zuschnitt an, der nicht weiterverwendet werden kann und somit den Materialverbrauch unnötig erhöht. Ein weiterer Nachteil an den bekannten Verfahren besteht in der Verwendung von Kunststoff als Verpackungsmaterial. Kunststoff wird zum Großteil aus fossilen Rohstoffen gewonnen und seine Herstellung trägt somit zum Ausstoß von Kohlendioxid bei. Zudem sind die wenigsten Kunststoffe biologisch abbaubar, so dass die Entsorgung von Kunststoffprodukten zu einer erheblichen Umweltbelastung führt.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Verfahren zur Herstellung eines Behälters, welches zum überwiegenden Teil aus nachwachsenden, leicht wiederverwertbaren und umweltfreundlichen Rohstoffen besteht, bereitzustellen. Das Herstellungsverfahren soll kostengünstig durchzuführen sein. Insbesondere soll sich das Verfahren durch einen sparsamen Materialeinsatz auszeichnen. Außerdem soll sich das Verfahren zur Herstellung dünnwandiger und gleichzeitig formstabiler Behälter, insbesondere von Verpackungen für Konsumgüter, eignen.

Diese Aufgaben werden durch das Verfahren zur Herstellung eines Behälters und den Behälter gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Behälters umfassend eine Schale und einen Deckel, welches die folgenden Schritte umfasst:

(a) Bereitstellen eines ersten flächigen Materials bestehend aus Fasermaterial;

(b) Umformen des ersten flächigen Materials zu einer Schale unter Einsatz eines Tiefziehverfahrens in einer Umformvorrichtung und unter Ausbildung von Seitenwänden der Schale;

(c) Verschließen der Schale durch Befestigen eines Deckels aus einem zweiten flächigen Material.

Die Erfindung betrifft außerdem einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren Behälter.

Ein wesentliches Element der Erfindung ist die Herstellung der Schale durch Umformen eines Fasermaterials. Fasermaterial besteht aus nachwachsenden Rohstoffen, beispielsweise aus Holzfaser, und ist damit leicht kompostierbar bzw. wiederverwertbar. Dadurch, dass die Schale aus diesem umweltfreundlichen Material hergestellt wird, kann die eingesetzte Menge von weniger umweltfreundlichem Kunststoff im Vergleich zu herkömmlichen Behältern deutlich reduziert werden. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die durch Tiefziehen des Fasermaterials hergestellte Schale anders als herkömmliche Verpackungen aus gefaltetem Karton keine Falzkanten oder seitliche Öffnungen aufweist. Zudem entfällt das aufwändige Falten eines Kartonzuschnitts.

Nachfolgend werden einzelne Merkmale der Erfindung näher erläutert.

Der durch das Verfahren herstellbare Behälter weist eine Schale aus Fasermaterial und einen daran befestigten Deckel auf. Der Behälter eignet sich insbesondere als Verpackung für Konsumgüter. Der Deckel kann den Behälter vollständig oder teilweise schließen. Vorzugsweise ist der Behälter vollständig geschlossen, so dass das sich in dem Behälter befindliche Gut von Außeneinflüssen abgeschirmt wird. Der Behälter eignet sich damit insbesondere als Verpackung für Lebensmittel oder Hygieneartikel. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Behälter um die Verpackung eines oder mehrerer Zahnreinigungsgeräte, wie beispielsweise einer Zahnbürste oder eines Zahnseidehalters.

Die Schale des Behälters ist dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Boden, Seitenwände und eine Öffnung aufweist. Die Öffnung liegt üblicherweise auf der dem Boden gegenüberliegenden Seite der Schale. Die Öffnung ist vorzugsweise von einem Flansch begrenzt, der die Öffnung ganz oder teilweise umschließt und in einem Winkel zu den Seitenwänden steht. Dieser Flansch dient zur besseren Befestigung des Deckels. Der Boden der Schale kann beispielsweise eine rechteckige, ovale, nierenförmige oder runde Grundfläche aufweisen.

Die Schale wird durch Umformen eines ersten flächigen Materials gebildet, welches aus Fasermaterial besteht. Als Fasermaterial wird im Rahmen dieser Erfindung ein aus pflanzlichen Rohstoffen gewonnenes Fasermaterial bezeichnet. Das Fasermaterial enthält vorzugsweise Cellulose und umfasst vorzugsweise Holzstoff, Halbzellstoff oder Zellstoff. Holzstoff wird durch Zerfaserung aus Pflanzenmaterial, insbesondere Holz, hergestellt und umfasst Lignocellulose. Bei Halbzellstoff ist der Ligninanteil gegenüber Holzstoff reduziert. In Zellstoff ist der Ligninanteil durch chemische Aufschlussverfahren fast vollständig reduziert. Das Fasermaterial kann beispielsweise aus Holz, insbesondere Nadelholz oder Laubholz, Stroh, Hanf, Baumwolle, Flachs, Bambus, Bagasse und/oder Kenaf gewonnen werden. Das Fasermaterial kann vorzugsweise auch Altpapier umfassen. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Fasermaterial aus Altpapier. Des Weiteren kann das Fasermaterial Hadernstoffe umfassen, also pflanzliche Faserstoffe, die aus textilen Abfällen gewonnen werden, beispielsweise aus Baumwolle oder Leinen. Das Fasermaterial umfasst vorzugsweise keine synthetischen Fasern.

Das Fasermaterial besteht vorzugsweise vollständig aus pflanzlichen Rohstoffen. Vorzugsweise besteht das Fasermaterial aus vollständig kompostierbaren Bestandteilen.

Das Fasermaterial kann zusätzlich Füllstoffe und/oder Bindemittel enthalten. Als Füllstoff wird vorzugsweise Kreide eingesetzt. Als Bindemittel werden vorzugsweise Polylactide eingesetzt, insbesondere aus Maisstärke gewonnene Polylactide. Die Beimischung von Polylactid zu dem Fasermaterial begünstigt das Umformen. Der Anteil von Polylactid bezogen auf das Gesamtgewicht des Fasermaterials beträgt vorzugsweise 1 bis 50 Gew.-%, bevorzugt 2 bis 30 Gew.-%, besonders bevorzugt 5 bis 15 Gew.-%.

Das Umformen des ersten flächigen Materials findet in einer Umformvorrichtung statt. Diese weist vorzugsweise einen beweglichen Tiefziehstempel und eine Tiefziehmatrize auf. Zum Umformen wird das erste flächige Material zunächst auf die Tiefziehmatrize gelegt und anschließend durch den Stempel in die Vertiefung der Matrize hineingedrückt und dabei zu einer Schale geformt. Vorzugsweise weist die Umformvorrichtung außerdem einen oder mehrere federbelastete Niederhalter auf, so dass das erste flächige Material zwischen Tiefziehmatrize und Niederhalter eingespannt werden kann. Dies verhindert bzw. steuert das Nachrutschen des ersten flächigen Materials in die Vertiefung der Tiefziehmatrize.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird das erste flächige Material vor und/oder während des Umformens erwärmt. Zu diesem Zweck umfasst die Umformvorrichtung vorzugsweise eine Heizvorrichtung zum Erwärmen des umzuformenden ersten flächigen Materials.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird das erste flächige Material vor und/oder während des Umformens befeuchtet. Das erste flächige Material kann ein- oder beidseitig befeuchtet werden. Vorzugsweise wird das erste flächige Material beidseitig befeuchtet. Zu diesem Zweck umfasst die Umformvorrichtung vorzugsweise eine Befeuchtungseinrichtung.

Für den Umformprozess ist es besonders vorteilhaft, wenn das erste flächige Material vor und/oder während des Umformens sowohl erwärmt als auch befeuchtet wird.

Als erstes flächiges Material können beispielsweise eine Folie oder ein Karton bestehend aus dem Fasermaterial eingesetzt werden. Das flächige Material kann starr oder flexibel sein.

Die Dicke des Materials kann über die gesamte Fläche gleich sein oder variieren. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das flächige Material allerdings an denjenigen Stellen, die beim Umformen besonders stark verformt werden, Verdickungen auf. Damit lässt sich die beim Umformen auftretende Verringerung der Wandstärke des Materials ausgleichen. Die Verdickungen sind vorzugsweise in dem Bereich des flächigen Materials angeordnet, der beim Umformen die Seitenwände der Schale ausbildet, da in diesem Bereich die stärkste Verformung und damit auch die größte Reduktion der Wandstärke auftritt.

In einer Ausführungsform wird das flächige Material durch Extrusion von granuliertem Fasermaterial zu einer Bahn gewonnen. Die Bahn wird anschließend gegebenenfalls auf die gewünschte Größe zugeschnitten. Die Größe des Zuschnitts richtet sich nach der gewünschten Größe der Schale. Ein Vorteil an diesem Verfahren ist, dass die Breite der Bahn im Extrusionsprozess eingestellt werden kann, beispielsweise durch eine geeignete Dimensionierung der Extrusionsdüse. Vorzugsweise wird die Breite der Bahn so gewählt, dass sie der Breite des für das Umformen benötigten Zuschnitts entspricht, bzw. einem ganzzahligen Vielfachen davon. Auf diese Weise ist es möglich, die Menge des beim Zuschneiden anfallenden überschüssigen Fasermaterials auf ein Minimum zu reduzieren, da die Bahn in der Breite entweder gar nicht zerschnitten werden muss oder in genau passende Stücke zerschnitten werden kann.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass das erste flächige Material durch Spritzgießen des Fasermaterials hergestellt wird. Auf diese Weise wird das erste flächige Material als flächiges Formteil bereitgestellt, aus dem beim anschließenden Umformen die Schale gebildet wird. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht insbesondere darin, dass die Größe und Geometrie des flächigen Formteils exakt an die Erfordernisse des Umformens angepasst werden können. Somit muss das flächige Formteil nicht mehr zugeschnitten werden und es entsteht kein überschüssiges Abfallprodukt. Auf diese Weise wird die eingesetzte Menge an Fasermaterial optimal ausgenutzt. Des Weiteren kann durch Spritzgießen auch Fasermaterial verarbeitet werden, dessen Zusammensetzung sich nicht zur Herstellung einer Folie durch einen herkömmlichen Extrusionsprozess eignet.

Das Spritzgießen findet in einer Spritzgießstation statt. Diese umfasst eine Spritzgießform, welche üblicherweise ein bewegliches Formwerkzeug aufweist. Mittels des beweglichen Formwerkzeugs kann die Spritzgießform für den Spritzgießvorgang geschlossen und zur Entnahme des flächigen Formteils geöffnet werden.

Das Fasermaterial wird für das Spritzgießen vorzugsweise in Form von Granulat bereitgestellt, welches in Verbindung mit Wärmezufuhr zu einer formbaren homogenen Masse dosiert und anschließend in die geschlossene Spritzgießform gespritzt wird. Das Spritzgießen erfolgt beispielsweise durch Punktanguss, vorzugsweise senkrecht zur Ebene des flächigen Formteils, oder durch Flächenanguss, vorzugsweise parallel zur Ebene des flächigen Formteils. Bei dem Einsatz von Punktanguss verbleibt ein sichtbarer Anspritzpunkt an dem Formteil, der auch an der Schale erkennbar bleibt. Auch im Flächenanguss kann die Anspritzfläche an der Schale erkennbar sein, allerdings befindet sich die Anspritzfläche, sofern der Flächenanguss parallel zur Ebene des Formteils stattfindet, in einem Randbereich der Schale und ist somit weniger gut sichtbar. Aus diesem Grund ist der Flächenanguss zu bevorzugen, um ein einheitliches Äußeres der Schale zu erzielen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird das Spritzgießen des Fasermaterials eingesetzt, um in dem flächigen Formteil Verdickungen an denjenigen Stellen zu erzeugen, die beim Umformen besonders stark verformt werden. Wie oben beschrieben, lässt sich hierdurch die beim Umformen auftretende Verringerung der Wandstärke des Materials ausgleichen. Der besondere Vorteil des Spritzgießens liegt darin, dass die Form und Position der Verdickungen durch eine geeignete Ausgestaltung der Spritzgießform mit hoher Genauigkeit einzustellen sind. Auf diese Weise trägt das Spritzgießen zu einer weiteren Materialeinsparung bei.

In einer bevorzugten Ausführungsform verlaufen das Umformen des ersten flächigen Materials durch Tiefziehen und das Bereitstellen des ersten flächigen Materials durch Spritzgießen synchron. Damit ist gemeint, dass pro Spritzgießzyklus genau ein Umformschritt durchgeführt wird.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Spritzgießstation ein bewegliches Formwerkzeug zum Schließen der Spritzgießform auf, wobei die Bewegung des Formwerkzeuges an die Bewegung des Tiefziehstempels der Umformvorrichtung gekoppelt ist. Vorzugsweise sind das bewegliche Formwerkzeug und der Tiefziehstempel mechanisch aneinander gekoppelt, so dass beide gleichzeitig bewegt werden. Vorzugsweise werden das bewegliche Formwerkzeug und der Tiefziehstempel von demselben Motor angetrieben. Dies ermöglicht eine synchrone Durchführung des Spritzgießens und des Umformens.

Vorzugsweise ist eine Umsetzvorrichtung vorgesehen, welche das erste flächige Material aus der Spritzgießstation entnimmt und in die Umformvorrichtung umsetzt.

Das Verfahren umfasst außerdem das Verschließen der Schale durch Befestigen eines Deckels aus einem zweiten flächigen Material. Das zweite flächige Material kann beispielsweise aus Kunststoff oder aus einem Fasermaterial bestehen. Vorzugsweise besteht das zweite flächige Material aus dem oben beschriebenen Fasermaterial. Der Deckel kann insbesondere die Form einer Folie oder einer Karte haben. Obwohl das zweite flächige Material im Wesentlichen eben ist, kann es beispielsweise einen umlaufenden Rand aufweisen, der von der Ebene absteht und zur Befestigung an der Schale dient. Auf diese Weise kann der Deckel die Schale nach Art eines Klemmdeckels verschließen. Ein auf diese Art befestigter Deckel ist lösbar an der Schale befestigt, sodass die Schale leicht geöffnet und wieder verschlossen werden kann. In einer alternativen Ausführungsform ist der Deckel mit der Schale verklebt. Die Klebeverbindung kann dabei so ausgelegt sein, dass sie beim Öffnen des Deckels irreversibel zerstört wird, so dass die Schale nicht erneut verschlossen werden kann. Im Falle eines durch Verkleben befestigten Deckels, wird die Schale mit dem jeweils zu verpackenden Gut befüllt, bevor der Deckel an der Schale befestigt wird.

Die Herstellung der Schale und das Befestigen des Deckels können mit mehr oder weniger großem zeitlichen und räumlichen Abstand voneinander stattfinden. So kann beispielsweise zunächst die Schale an einem ersten Ort hergestellt werden, dann an einen zweiten Ort transportiert und mit dem zu verpackenden Gut befüllt werden und schließlich an einem dritten Ort durch Befestigen des Deckels verschlossen werden.

Weitere Ausführungsformen sind zum besseren Verständnis der Erfindung in den nachfolgenden Zeichnungen dargestellt. Diese zeigen:

Fig. 1 Schematische Darstellung des ersten flächigen Materials und der

Umformvorrichtung vor dem Umformen;

Fig. 2 schematische Darstellung des ersten flächigen Materials und der

Umformvorrichtung während des Umformens;

Fig. 3 A Draufsicht auf ein durch Spritzgießen hergestelltes erstes flächige Material gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 B Querschnittsansicht eines durch Spritzgießen hergestellten ersten flächigen Materials gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 A Draufsicht auf ein durch Spritzgießen hergestelltes erstes flächige Material gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 B Querschnittsansicht eines durch Spritzgießen hergestellten ersten flächigen Materials gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 5 schematische Darstellung einer Spritzgießstation. Die Figuren 1 und 2 zeigen schematische Darstellungen des ersten flächigen Materials 10 und der Umformvorrichtung 20. Figur 1 zeigt das erste flächige Material 10 vor dem Beginn des Umformens. Das erste flächige Material 10 liegt hierbei auf der Tiefziehmatrize 21 auf und wird von den Niederhaltern 22 eingeklemmt. Ein beweglicher Tiefziehstempel 23 drückt dann das erste flächige Material 10 in die Vertiefung der Tiefziehmatrize 21 , wobei das erste flächige Material 10 zu einer Schale umgeformt wird (Figur 2).

Die Schale weist einen Boden 12, Seitenwände 13 und einen Flansch 14 auf. Während des Umformens werden die Seitenwände 13 aus den Verdickungen 11 des ersten flächigen Materials 10 gebildet. Auf diese Weise wird eine Reduktion der Wandstärke beim Umformen ausgeglichen, sodass die Schale im Bereich der Seitenwände 13 im Wesentlichen die gleiche Wandstärke hat wie im Bereich des Bodens 12.

Nach dem Umformen wird der Tiefziehstempel 23 wieder nach oben aus der Vertiefung der Tiefziehmatrize 21 herausbewegt. Anschließend werden die Niederhalter 22 gelöst, um die Schale aus der Umformvorrichtung 20 zu entnehmen.

Die Figuren 3A und 3B zeigen schematische Darstellungen eines durch Spritzgießen hergestellten ersten flächigen Materials 10. Figur 3A zeigt eine Draufsicht auf das erste flächige Material 10, Figur 3B zeigt eine Querschnittsansicht. Das erste flächige Material 10 weist eine umlaufende Verdickung 11 auf, die in dem Bereich angeordnet ist, der später zu den Seitenwänden der Schale umgeformt wird. Das in dieser Ausführungsform gezeigte erste flächige Material 10 wird durch Punktanguss an den Anspritzpunkten 15 senkrecht zur Ebene des ersten flächigen Materials hergestellt.

Die Figuren 4A und 4B zeigen eine weitere Ausführungsform eines durch Spritzgießen hergestellten ersten flächigen Materials 10. Auch in dieser Ausführungsform weist das erste flächige Material 10 eine umlaufende Verdickung 11 auf, die beim späteren Umformen die Seitenwände der Schale bildet. Im Gegensatz zu der Ausführungsform gemäß der Figur 3A wird die Ausführungsform in Figur 4A durch Flächenanguss parallel zur Ebene des ersten flächigen Materials 10 hergestellt. Der Angusskanal 34 ist schematisch eingezeichnet und mündet in die beiden Anspritzpunkte 16 am Rand des ersten flächigen Materials 10.

Die Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Spritzgießstation 30 zur Herstellung eines ersten flächigen Materials. Die Spritzgießstation 30 umfasst ein bewegliches Formwerkzeug 32 und eine unbewegliche Formhälfte 31. Das bewegliche Formwerkzeug 32 und die Formhälfte 31 bilden zusammen ein Formnest 35 aus, in welchem das erste flächige Material 10 hergestellt werden kann. Das Formnest 35 weist Ausbuchtungen 36 zur Herstellung einer umlaufenden Verdickung an dem ersten flächigen Material auf. In der Formhälfte 31 ist ein Angusskanal 33 zum Einspritzen des Fasermaterials vorgesehen. Der Angusskanal 33 mündet senkrecht zur Ebene des ersten flächigen Materials und ist hier in Form einer Düse zum Punktanguss ausgebildet. In einer alternativen, hier nicht illustrierten Ausführungsform kann der Angusskanal 33 auch in dem beweglichen Formwerkzeug 32 ausgebildet sein.

Bezugszeichenliste Erstes flächiges Material Verdickung Boden Seitenwände Flansch Anspritzpunkte zum Punktanguss Anspritzpunkte zum Flächenanguss Umformvorrichtung Tiefziehmatrize Niederhalter Tiefziehstempel Spritzgießstation Formhälfte bewegliches Formwerkzeug Angusskanal Angusskanal Formnest Ausbuchtungen