Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beschichtung von faserbasierten Hohlkörpern gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1 und einen faserbasierten Verschluss gemäss Oberbegriff des Anspruchs 15.

Stand der Technik

Fasermaterialien bekommen als Verpackungsmaterial in den letzten Jahren einen neuen Stellenwert, da sie besonders nachhaltig sind. Fortschritte in der Nassumformungstechnologie für Bauteile mit Hinterschneidungen wie Container und Flaschen ermöglichen neue Einsatzfelder. Weitere neue Technologien wie die Trockenumformung von Fasermatten ermöglichen neue faserbasierte Körper wie Verschlüsse. Diese Produkte stehen in Konkurrenz zu bisher bekannten Produkten die vorwiegend aus Kunststoff hergestellt werden. Ein Nachteil von faserbasierten Werkstoffen ist, dass diese nicht intrinsisch gegen äußere Medien wie z.B. Wasser oder Wasserdampf geschützt sind, wie dies von Kunststoffen bekannt ist. Daher ist es für viele Anwendungen notwendig die umgeformten Fasern in einem weiteren Prozessschritt zu schützen und das Produkt mit Barriereeigenschaften zu versehen. Es gibt mehrere technische Lösungen, um eine solche Barriere aufzubringen, wobei unterschieden werden muss vor welchem Medium die Barriere den faserbasierten Körper schützen soll und ob dabei das Füllgut geschützt werden soll oder die Form des faserbasierten Körpers. Ein Schutz nach außen kann über das Einbringen von chemischen Additiven erwirkt werden, z.B. durch das in der Faserindustrie bekannte AKD (alkyl ketene dimer), das Faseroberflächen hydrophob einstellt. Jedoch bietet dieses Additiv keine Barriere für Wasserdampf oder andere Gase und lässt diese ungehindert durchdringen und schützt somit das Füllgut nicht ausreichend.

Aus dem Stand der Technik sind Beschichtungen für faserbasierte Behälter bekannt, welche an der Innenseite ihrer Hülle eine Pulverbeschichtung aufweisen. Die Pulverschichtung ist durch ein elektrostatisches Hochspannungsverfahren auf die Hülle aufgebracht. Dadurch lässt sich die Hülle mit einer Barriereschicht ausstatten. Faserbasierte Körper weisen jedoch die Eigenheit auf, dass diese verhältnismässig große Fertigungstoleranzen im Vergleich zu Kunststoffkörpern aufweisen. Deshalb haben faserbasierte Körper mit einer elektrostatischen Beschichtung den Nachteil, dass der Ladungsbereich nicht gleichmässig ist und dementsprechend die Beschichtung unterschiedliche Dicken und sogar Lücken aufweisen kann.

Aufgabe der Erfindung

Aus den Nachteilen des beschriebenen Stands der Technik resultiert die Aufgabe eine Vorrichtung zu schaffen, welche das oben beschriebene Beschichtungsverfahren verbessert.

Beschreibung

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt bei einer Vorrichtung zur Beschichtung von faserbasierten Hohlkörpern mit einer Barriereschicht durch die im kennzeichnenden Abschnitt des Patentanspruchs 1 angeführten Merkmale. Weiterbildungen und/oder vorteilhafte Ausführungsvarianten sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

Die Erfindung zeichnet sich bevorzugt dadurch aus, dass an der Innenseite der Form ein elektrisch leitendes und komprimierbares Ausgleichselement angeordnet ist. Nachdem die Fertigungstoleranzen von faserbasierten Hohlkörpern wegen ihrem Herstellverfahren relativ hoch sind, ist es wahrscheinlich, dass die Innenseite der Form nicht vollflächig und exakt an der Aussenseite des Hohlkörpers anliegt. Dadurch kann die elektrische Ladung unterbrochen sein, was zu einer lückenhaften und ungleichmässigen Beschichtung führt. Das elektrisch leitende und komprimierbare Ausgleichselement stellt durch seine Flexibilität sicher, dass die Aussenflächen des Körpers, deren entsprechende Innenflächen beschichtet werden sollen, vollflächig mit dem Ausgleichselement in Kontakt stehen. Fehlstellen und Ungleichmässigkeiten an der Beschichtung sind daher zuverlässig verhindert.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Ausgleichselement ein elektrisch leitender Schaumstoff und/oder ein elektrisch leitender 3D-gedruck- ter Filamentkörper. Der Schaumstoff wird in der Regel zusammen mit einem zusätzlichen Trägerelement verwendet, während der Filamentkörper gleichzeitig Trägerelement und elektrischer Leiter ist. Der Schaumstoff ist bevorzugt ein Polyurethan-Schaumstoff, welcher mit Kupfer und Nickel beschichtet ist.

Der 3D-Druck ermöglicht eine äusserst präzise Oberfläche und gleichzeitig eine hohe Flexibilität. Der Filamentkörper lässt sich ausschliesslich im 3D-Druck herstellen, da er in Schichten aufgebaut werden muss, um die ineinander verschlungenen Filamente zu realisieren. Die verschlungenen Filamente gewährleisten die Komprimierbarkeit bzw. die Flexibilität des Filamentkörpers. Der Filamentkörper ist für Bauteile vorgesehen, an denen die Kontur der Form kein Aufkleben des leitenden Schaumstoffes zulässt.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform besteht die Form aus einer Mehrzahl von elektrisch leitenden Segmenten, wodurch der zu beschichtende Körper von den Segmenten umschliessbar ist. Dadurch kann an allen Oberflächen des Hohlkörpers eine elektrische Ladung vorhanden sein, welche gleichmässig und lückenlos beschichtet werden sollen. Bevorzugt sind die Segmente aus Aluminium hergestellt, da dieses Metall eine hohe elektrische Leitfähigkeit besitzt. Die Segmente können auch frei von dem Schaumstoff oder dem Filamentkörper sein. Diese ist bevorzugt für Schnittstellen des Hohlkörpers, die Kraft übertragen sowie verschraubt werden müssen.

Die Kombination aus Ausgleichselement und Segmente ermöglicht es, dass der Hohlkörper vollflächig von der Form umschlossen ist und gleichzeitig an allen Flächen, die beschichtet werden sollen, eine elektrische Spannung vorhanden ist. Für die zuverlässige Funktion der Vorrichtung müssen diese Merkmale Zusammenwirken.

Als zweckdienlich hat es sich erwiesen, wenn die Form eine Mehrzahl von Seitensegmenten, ein Bodensegment und ein Schultersegment aufweist. Dadurch lässt sich der Hohlkörper ohne Aufwand in die Form einlegen und steht nach dem Schliessen der Form vollumfänglich mit den Segmenten in Berührung.

Zweckmässigerweise weist die Form ein Halssegment und ein Teilungssegment auf, wobei das Teilungssegment an das Halssegment anschliesst. Das Halssegment und das Teilungssegment bilden die Grenzkante zwischen dem beschichteten und dem nicht beschichtet Bereich an der Aussenfläche des Halsgewindes. Das Halssegment ist das berührende Bauteil und ist dementsprechend für den Potentialausgleich verantwortlich. Das Teilungssegment berührt die Aussenfläche der Flasche nicht. Mit diesem Segment ergibt sich eine „schärfere“ Grenzkante der Beschichtung. Der faserbasierte Hohlkörper kann optional auch Außen an der Stirn- bzw. Dichtfläche sowie am Gewinde beschichtet werden. In der Regel endet die Beschichtung direkt hinter dem Gewindeende.

Vorteilhaft ist es, wenn das Teilungssegment und das Halssegment frei von dem Ausgleichselement sind. An dieser Stelle des Hohlkörpers ist das Aluminiumsegment ohne Ausgleichselement bevorzugt, weil dieses im Vergleich zu Schaumstoff und Filamentkörper besser leitfähig ist und eine Beschichtung ermöglicht, welche durch ihre verbesserte Haftung höhere Belastungen erträgt. Dadurch löst sich die Beschichtung nicht an Schnittstellen die Kraft übertragen sowie Schnittstellen, welche verschraubt werden müssen.

Wie weiter oben bereits ausgeführt ist es von Vorteil, wenn durch das Teilungssegment der Beschichtungsbereich an dem Körper begrenzbar ist. Dadurch besitzt die Beschichtung eine exakte Abgrenzung zum nicht beschichteten Teil des Hohlkörpers.

Die Erfindung zeichnet sich auch bevorzugt dadurch aus, dass die Segmente in der Art einer Gussform aus einer Offen position, in welcher der Körper in die Form einlegbar ist, in eine Verschlussposition überführbar sind, in welcher der Körper von den Segmenten vollständig umschliessbar ist. Dadurch ist die Vorrichtung für die Serienproduktion von faserbasierten Hohlkörpern in idealer Weise einsetzbar. Die erhöhten Fertigungstoleranzen der Hohlkörper einer Produktionsserie werden durch das Ausgleichselement kompensiert.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung definieren die Flächen der Segmente, welche mit dem Ausgleichselement verkleidet sind oder frei von diesem sind, in der Verschlussposition der Form einen Beschichtungsbereich. Dadurch lässt sich der gesamte Innenraum besonders homogen, dünn und lückenlos beschichten.

Bevorzugt ist es, wenn die Seitensegmente mit Schaumstoff verkleidet sind, da der Schaumstoff auf die Kontur der Seitensegment mit einem elektrisch leitfähigen Klebstoff aufgeklebt werden kann und so am Segment haftet. Der Schaumstoff besitzt eine gute Leitfähigkeit und ein gutes Ausgleichsverhalten.

Bevorzugt ist es, wenn das Bodensegment mit dem Filamentkörper verkleidet ist, da der Schaumstoff an dem Bodensegment nicht klebt. Dies ist deshalb der Fall, weil das Bodensegment und auch das Schultersegment in der Regel immer eine Kontur besitzen, die nur mit Schaumstoff nicht abgebildet werden kann. Radien, Kanten und sonstige 3D- Formen können nämlich nur mit sehr dünnen elastischen Materialien nachgebildet werden. Schaumstoff muss aber in der der Regel ca. 5 mm dick ausgeführt werden, weil er einerseits eine ausgleichende Funktion hat und andererseits die Kupfer-Nickel Beschichtung nicht elastisch ist. Dementsprechend ist der Filamentkörper an Konturen, an denen der Schaumstoff nicht klebt, ein geeigneter Ersatz für den Schaumstoff.

Zweckmässigerweise ist die Sprühlanze durch das Schultersegment in die Form einführbar, da sich dort auch die Einfüll- bzw. Ausgiessöffnung des faserbasierten Hohlkörpers befindet. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Sprühlanze derart ausgebildet, dass das Polymerpulver beim Durchströmen der Sprühlanze elektrisch geladen wird, wobei die Segmente entgegengesetzt wie das Polymerpulver aufladbar sind. Dadurch werden die Pulverpartikel an die Innenseite des Hohlkörpers angezogen, wo es zu einem Potentialausgleich kommt. Die Sprühlanze kann in der Art einer «Corona- Pistole» ausgeführt sein.

Durch die oben ausgeführten Vorteile eignet sich die Vorrichtung besonders gut für faserbasierte Flaschen und Verschlüsse, da das Ausgleichselement Fertigungstoleranzen und aufwendige geometrische Formen ausgleichen kann.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen faserbasierten Verschluss aufweisend eine Deckplatte und einen an die Deckplatte anschliessenden zylinderförmigen Mantel mit einem Innengewinde. Die Innenseite der Deckplatte und des Mantels lassen sich mit der vorliegenden Vorrichtung besonders vorteilhaft mit einem Polymerpulver beschichten. Zum einen wird die Barriereschicht flächendeckend und gleichmässig aufgetragen. Zum anderen wird in diesem Bereich durch die Polymerbeschichtung die Steifigkeit erhöht. Dies kann das maximale Anzugsmoment des Verschlusses erhöhen. Zusätzlich wird an den Reibflächen, z.B. dem Gewindegang, verhindert, dass durch das Aneinanderbewegen der Flächen Fasern aus der Oberfläche gelöst werden und somit die Funktion des Verschlusses bei mehrmaliger Verwendung des Verschlusses verschlechtert wird.

Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die schematischen Darstellungen. Es zeigen in nicht massstabsgetreuer Darstellung:

Figur 1 : eine Schnittdarstellung einer Vorrichtung zur Beschichtung von faserbasierten Hohlkörpern mit einer Form, wobei die Form geöffnet ist;

Figur 2: eine Schnittdarstellung der Vorrichtung in einer teilgeschlossenen

Position der Form;

Figur 3: eine Schnittdarstellung der Vorrichtung in einer geschlossenen Position der Form; Figur 4: eine Detailansicht der Form aus Figur 3 und

Figur 5: eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung mit der Form und einer Sprühlanze

In der Figur 5 ist eine Vorrichtung zur Beschichtung von faserbasierten Hohlkörpern, gezeigt, welche eine elektrisch leitfähige Form 13 und eine Sprühlanze 15 umfasst und gesamthaft mit dem Bezugszeichen 11 bezeichnet ist. Die Form 13 funktioniert in der Art einer Gussform, wobei Formsegmente sich zwischen einer Offenposition (Figur 1 ) und einer Verschlussposition (Figur 3) verschieben lassen. In der Offenposition lässt sich ein Hohlkörper, beispielsweise eine faserbasierte Flasche 17, in die Form 13 einlegen. Unter einem faserbasierten Hohlkörper ist im Rahmen dieser Anmeldung zu verstehen, dass der Hohlkörper aus komprimierter Pulpe ausgeformt ist, welche eine formstabile Hülle bildet und einen Innenraum umschliesst. Als Pulpe wird typischerweise ein Gemisch aus Wasser, Fasern (insbesondere Papierfasern) und einem Bindemittel verstanden.

Die Form 13 und die Sprühlanze 15 besitzen einen ersten bzw. einen zweiten elektrischen Anschluss, an welchen eine elektrische Spannung angelegt werden kann. Da die Form 13 aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise Aluminium hergestellt ist, kann die Ladung auf den Hohlkörper bzw. die Flasche 17 wirken, obwohl die Fasern nichtleitend sind. Je exakter die Form 13 an der Flasche anliegt, umso gleichmässiger fällt die Beschichtung des Innenraumes aus. Zur Beschichtung der Innenseite der Flasche 17 wird an dem ersten und zweiten Anschluss eine elektrische Spannung angelegt. Ein durch die Sprühlanze 15 geblasenes Polymerpulver wird beispielsweise positiv geladen. Nachdem die Form 13 negativ geladen ist, legen sich die Pulverpartikel an der Innenseite der Flasche 17 an. Anschließend wird die Flasche 17 aus der Form 13 entnommen und in einem Nachfolgeschritt wird das Pulver durch thermische Energie geschmolzen. Die thermische Energie kann dabei in Form von konvektiver Energie oder Strahlungsenergie eingebracht werden. Das Pulver bildet in der Schmelze eine homogene Schicht aus, und erstarrt im nachfolgenden Abkühlprozess.

Typischerweise weisen faserbasierte Hohlkörper eine relativ grosse Fertigungstoleranz im Vergleich zu Kunststoffkörpern auf. Andererseits muss die Form 13 möglichst exakt und vollflächig an dem Hohlkörper anliegen, um ein Ladungsfeld zu erzeugen, welches die Innenseite des Hohlkörpers möglichst exakt abbildet. Zur Erreichung dieses exakten Anliegens der Form 13 an Flaschen 17, welche materialbedingt in ihren Abmessungen voneinander abweichen, ist an der Innenseite der Form 13 ein elektrisch leitendes und komprimierbares Ausgleichselement 19 angeordnet. Dieses Ausgleichselement 19 liegt vollflächig an der Aussenkontur der Flasche 17 an, da es sich mehr oder weniger komprimieren lässt. Die Beschichtung ist daher besonders homogen und dünn und passt sich der Geometrie des Hohlkörpers an der Innenseite an. Auch komplexe Formen wie beispielsweise die Gewindegänge eines faserbasierten Dreh Verschlusses lassen sich exakt beschichten.

Die Form 13 besteht aus einer Mehrzahl von elektrisch leitenden Segmenten, wodurch der zu beschichtende Körper von den Segmenten umschliessbar ist. Bevorzugt weist die Form 13 eine Mehrzahl von Seitensegmenten 21 , ein Bodensegment 23 und ein Schultersegment 25 auf. Die Segmente können mit einem elektrisch leitenden Schaumstoff 19a oder mit einem elektrisch leitenden 3D-gedruckten Filamentkörper 19b ausgekleidet sein. Die Filamente sind in sich verschlungene Kunststofffasern, welche komprimierbar bzw. flexibel sind und elektrisch leitend sind. Für Bauteile, an denen die Kontur kein Aufkleben des leitenden Schaumstoffes zulassen, ist die Anwendung des Filamentkörpers 19b von Vorteil. Im 3D-Druckverfahren lässt sich der Filamentkörper 19b mit höchster Fertigungstoleranz und in komplexen Formen herstellen.

Segmente, beispielsweise die Seitensegmente 21 , können mit einem elektrisch leitenden Schaumstoff 19a ausgekleidet sein. Die Leifähigkeit und das Ausgleichsverhalten sind beim leitenden Schaumstoff höher als beim Filamentkörper. Der Schaumstoff wird an allen Segmenten verwendet, wo er an der Kontur aufgeklebt werden kann.

Die faserbasierte Flasche 17 wird mit ihrer Schulter 27 in das Schultersegment 25 eingesetzt (Figur 1 ). Die Figur 2 zeigt die Fixierung der Flasche 17 zwischen dem Schulter- und dem Bodensegment 25,23. Die Fixierung der Flasche 17 erfolgt, indem das Bodensegment 23 in vertikaler Richtung auf den Boden 29 aufgefahren wird. Nach Schliessen des Bodensegments 23 werden die Seitensegmente 21 geschlossen, wodurch die Flasche vollständig von Segmenten umgeben ist. Bevorzugt sind vier Seitensegmente 21 vorgesehen, welche zuerst in vertikaler und dann in radialer Richtung verfahren werden, um den Mantel der Flasche 31 abzudecken. Die Innenflächen der Seitensegmente 21 sind mit dem elektrisch leitenden Schaumstoff 19a verkleidet. Nach Schliessen der Segmente definieren die Flächen der Segmente, welche mit dem Ausgleichselement 19 verkleidet sind, in der Verschlussposition der Form 13 einen Beschichtungsbereich (Figur 3). D.h. alle Flächen der Flasche 17, welche mit dem Ausgleichselement 19 (Schaumstoff 19a oder Filamentkörper 19b) können vollflächig, gleichmässig und lückenlos mit dem elektrisch geladenen Polymerpulver beschichtet werden.

Im Anschluss an das Schultersegment 25 weist die Form 13 ein Halssegment 33 auf. Das Halssegment 33 und ein daran anschliessendes Teilungssegment 35 werden mittels zwei pneumatischer Greifer geschlossen. Das Halssegment ist das berührende Bauteil, welches für den Potentialausgleich verantwortlich ist.

Im Anschluss an das Halssegment 33 ist das Teilungssegment 35 vorgesehen. Das Halssegment 33 stellt eine Beschichtung am Übergang zwischen der Schulter 27 und dem Hals 33 sicher. Das Teilungssegment 35 ermöglicht eine saubere Trennung bzw. eine «schärfere Grenzkante» an dem Hals der Flasche 37 zwischen der Beschichtungszone und dem äusseren Mündungsbereich, der nicht beschichtet ist. Für die Herstellung der Schnittstellen weisen weder das Halssegment 33 noch das Teilungssegment 35 ein Ausgleichselement auf. Diese beiden Segmente sind aus Aluminium gefertigt und besitzen daher eine gute Leitfähigkeit.

Die Figur 5 zeigt die Sprühlanze 15, bevor diese durch das Schultersegment 25 in den Innenraum der Flasche 17 eingefahren wird. Die Sprühlanze kann als eine «Corona- Pistole» ausgebildet sein. Beim Verlassen der Sprühlanze 15 ist das Polymerpulver mit der Gegenladung des elektrisch leitenden Ausgleichselementes 19 geladen. Dadurch kann das Pulver an den Innenflächen der Flasche haften, welche beschichtet werden sollen.

Der 3D-gedruckter Filamentkörper 19b und insbesondere der Schaumstoff 19a ermöglichen, dass geometrisch komplexe Formen mit einer dünnen und eine gleichmässigen Schichtdicke aufweisende Polymerschicht beschichtet werden können. Zudem ist die Polymerschicht vollständig geschlossen, um eine zuverlässige Barriereschicht zu erzeugen. Deshalb ist die Vorrichtung 11 auch dazu geeignet die Innenseite eines faserbasierten Drehverschlusses zu beschichten. Dabei wird auch das Innengewinde des Verschlusses vollständig beschichtet. Durch den Einsatz eines Polymerpulvers, welches sich flächig an die geometrischen Ausformungen anlegt, wird in diesem Bereich ebenfalls die Steifigkeit erhöht. Dies kann das maximale Anzugsmoment des Verschlusses erhöhen. Zusätzlich wird an den Reibflächen, z.B. dem Gewindegang, verhindert, dass durch das Aneinanderbewegen der Flächen Fasern aus der Oberfläche gelöst werden und somit die Funktion des Verschlusses bei mehrmaliger Verwendung des Verschlusses verschlechtert wird. Legende:

11 Vorrichtung

13 Form

15 Sprühlanze

17 Faserbasierte Flasche, faserbasierter Hohlkörper

19 Ausgleichselement

19a elektrisch leitender Schaumstoff

19b elektrisch leitender 3D-gedruckter Filamentkörper

21 Seitensegmente

23 Bodensegment

25 Schultersegment

27 Schulter der Flasche

29 Boden der Flasche

31 Mantel der Flasche

33 Halssegment

35 Teilungssegment

37 Hals der Flasche