DE102011005537A1

DE102011005537A1 - Siegelflächenstruktur zur Herstellung einer Siegelnaht

Info

Publication number: DE102011005537A1
Application number: DE102011005537A
Authority: DE
Inventors: Thomas Fischer
Original assignee: Herrmann Ultraschalltechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Herrmann Ultraschalltechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2011-03-15
Filing date: 2011-03-15
Publication date: 2012-09-20
Anticipated expiration: 2031-03-16
Also published as: DE102011005537B4; WO2012123415A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Werkzeug zur Herstellung einer Siegelnaht bestehend aus zwei aufeinander zu bewegbaren Elementen, von denen eines eine Siegelfläche 2 mit einer vorzugsweise ebenen Basisfläche 9 und aufgesetzter Reliefstruktur 10 aufweist. Um eine in ihrer Herstellung energiesparende Siegelnaht mit geringer Ausschussrate zu erzielen, die aber zugleich gute Peeleigenschaften, eine hohe Nahtfestigkeit sowie ein ansprechendes optisches Erscheinungsbild aufweist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass sich die Reliefstruktur 10 aus einer Vielzahl von Erhebungen 4 zusammensetzt, die über einer Basisfläche 9 hervorstehen und in einer Schnittansicht senkrecht zur Siegelfläche 2 in einem Abstand D zwischen 1,2 mm und 0,4 mm, vorzugsweise zwischen 1,0 mm und 0,5 mm, am besten zwischen 0,9 mm und 0,6 mm zueinander angeordnet sind. Hierbei ist unter dem Abstand D die parallel zur Basisfläche 9 gemessene Entfernung zwischen den Punkten zweier benachbarter Erhebungen 4 mit dem jeweils größten Abstand zur Basisfläche 9 zu verstehen. Im Falle von Plateaus 5 mit konstantem Abstand zur Basisfläche 9 ist der Mittelpunkt der Plateaus 5 in der Schnittansicht als Ausgangspunkt für die Entfernungsbestimmung zwischen den Erhebungen 4 heranzuziehen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Werkzeug zur Herstellung einer Siegelnaht bestehend aus zwei aufeinander zu bewegbaren Elementen, von denen eines eine Siegelfläche mit einer vorzugsweise ebenen Basisfläche und auf der Basisfläche aufgesetzter Reliefstruktur aufweist.
Bei der Herstellung einer Siegelnaht werden mindestens zwei aufeinanderliegende Materialien unter Energieeinsatz miteinander verschweißt. Die resultierende Siegelnaht kann sich dabei aus mehreren Einzelnähten zusammensetzen. Die Siegelnahtstruktur, d. h. die Anzahl, die Form, die räumliche Ausdehnung und die Anordnung der Einzelnähte, wird durch die Siegelflächenstruktur, d. h. durch die Reliefstruktur der Siegelfläche, festgelegt und dem Material im Zuge des Verschweißen aufgeprägt.
Oben beschriebene Siegelnähte kommen u. a. bei Schlauchbeutelverpackungsmaschinen, z. B. in der Lebensmittelindustrie, zum Einsatz. Von besonderem technischem Interesse ist dabei die Herstellung von Quersiegelnähten, die quer, d. h. senkrecht, zur Materialbewegungsrichtung verlaufen. Dies liegt begründet in der Tatsache, dass üblicherweise an diesen Nähten das Öffnen der Verpackungen durch den Endverbraucher vorgesehen ist.
Aus diesem Umstand ergeben sich im Allgemeinen vier Kriterien, die für die Qualität von Quersiegelnähten maßgeblich sind: Erstens sollte die Siegelnaht zu einem dichten Verschluss der Verpackung führen. Zweitens sollte sie eine ausreichende Nahtfestigkeit aufweisen, d. h. die Versiegelung sollte so beständig sein, dass sie auf dem Weg zum Endverbraucher unversehrt bleibt. Hierbei ist die Nahtfestigkeit einer Siegelnaht durch die zum Öffnen der Versiegelung aufzubringende Kraft bestimmt. Eine qualitativ hochwertig verschweißte Verpackung sollte dicht sein und bis zum vorgesehenen Öffnen durch den Konsument dicht halten. Nur so kann gewährleistet werden, dass der Verpackungsinhalt vom Zeitpunkt des Verschweißens der Verpackung bis zum Öffnen derselben unverändert bleibt. Insbesondere bei Lebensmitteln ist es wichtig, eine ungewünschte Verunreinigung oder ein Verderben des Produkts zu verhindern, was nur durch eine beständige und undurchlässige Verpackungsversiegelung sichergestellt werden kann. Drittens sollte eine Quersiegelnaht gute Peeleigenschaften aufweisen, d. h. für den Endverbrauchern leicht von Hand ohne den Einsatz zusätzlicher Hilfsmittel zu öffnen sein. Viertens sollte die Siegelnaht eine ansprechende und möglichst verkaufsfördernde Optik aufweisen.
Für die Eigenschaften einer Siegelnaht ist neben der Beschaffenheit des zu bearbeitenden Materials die aufgebrachte Siegelnahtstruktur maßgeblich. Die Siegelnahtstruktur wird ihrerseits durch die Siegelflächenstruktur des zur Versiegelung eingesetzten Werkzeugs bestimmt.
Grundsätzlich gilt bei Siegelflächenstrukturen mit im Wesentlichen gleichem geometrischem Aufbau, dass je größer die Flächen des Siegelwerkzeugs, die in direktem Kontakt mit dem zu bearbeitenden Material stehen und in deren Bereich das unmittelbare Verschweißen stattfindet, in ihrer Summe sind, um so stabiler wird die erzeugte Siegelnaht. Je stabiler die Siegelnaht ist, desto schwerer lässt sie sich allerdings vom Endverbraucher per Hand öffnen.
Die oben gelisteten Qualitätsanforderungen an eine Siegelnaht führen daher zu folgenden Anforderungen an eine Siegelflächenstruktur: Die Struktur sollte in ihrer Gesamtheit zu einer ausreichend großen Fläche von verschweißtem Material führen um eine zweckmäßige Nahtfestigkeit sicherzustellen und gleichzeitig gewährleisten, dass die Größe der verschweißten Materialflächen in ihrer Summe die Peeleigenschaften der Siegelnaht nicht negativ beeinflusst. Dabei sollte im Falle einer Quersiegelnaht zumindest ein Teil der Versiegelung durchgehend über die ganze Breite der Verpackung verlaufen, um für einen dichten Verschluss Sorge zu tragen.
Diesen Herausforderungen wird in der Verpackungsproduktion dadurch begegnet, dass Siegelnahtstrukturen bestehend aus mehreren Einzelnähten Verwendung finden. Diese Einzelnähte sind im Falle von Quersiegelnähten parallel angeordnet und verlaufen linienförmig quer über die gesamte Verpackungsfläche. Zum Öffnen wird die Verpackung vom Endverbraucher üblicherweise mit den Händen in der Nähe der Quersiegelnaht gegriffen, was zwei gegenüberliegende Griffstellen festlegt. An diesen Griffstellen werden die miteinander verschweißten Materialien senkrecht zu der durch die Siegelnaht näherungsweise festgelegte Ebene auseinandergezogen. Durch die aufgewendeten Zugkräfte werden die Einzelnähte nacheinander gelöst, beginnend mit der den Griffstellen nächstgelegenen Naht. Dieses Vorgehen führt zu der Situation, dass während die nächstgelegene Einzelnaht bereits zu einem großen Teil gelöst ist, eine benachbarte Naht erst zu einem geringeren Teil gelöst ist. Somit kann sich die Zugkraft stufenweise auf mehrere Einzelnähte verteilen. Der Kraftanteil, der auf die unterschiedlichen Einzelnähte entfällt, hängt neben der Beschaffenheit derselben sowohl von deren Entfernung zu den Griffstellen ab, als auch davon wie weit die betreffenden Nähte bereits gelöst sind. Insgesamt stabilisieren sich die Einzelnähte durch das Verteilen der angreifenden Kräfte auf die gesamte Siegelnahtstruktur somit gegenseitig.
Mit Hilfe von Siegelnahtstrukturen bestehend aus mehreren Einzelnähten ist es möglich, stabile Siegelnähte herzustellen, die sich dennoch gut öffnen lassen. Dabei kann die Nahtfestigkeit je nach Anforderung an die Verpackung durch unterschiedliche Ausgestaltungen der Siegelnahtstruktur variiert und präzise festlegt werden. Es muss allerdings ein Mittelweg gefunden werden zwischen der Breite der Einzelnähte, d. h. der Größe der verschweißten Materialflächen, einerseits und der Größe der Abstände zwischen benachbarten Einzelnähten, d. h. der unverschweißten Materialflächen zwischen den Verschweißungen, andererseits. Werden die Einzelnähte zu breit und die Abstände zu klein gewählt, lässt sich die Verpackung nur schwer öffnen. Werden die Breiten der Einzelnähte aber zu gering und die Abstände zu groß gewählt, ist die resultierende Nahtfestigkeit nicht ausreichend. Hinzu kommt, dass die Siegelnahtstruktur so beschaffen sein sollte, dass nach Möglichkeit Beschädigungen der Siegelnähte im Zuge der Verschweißung vermieden werden.
Ebenfalls von Bedeutung für die Eigenschaften der aus der Verschweißung resultierenden Siegelnahtstruktur sind die Höhen der Erhebungen der Siegelflächenstruktur. Sind diese Erhebungen sehr hoch, so kann die Sonotrode sehr tief in das zu bearbeitende Material eindringen. Dies kann dazu führen, dass das im Bereich der oberen Enden der Erhebungen geschmolzene Material nahezu vollständig in die Zwischenräume zwischen den Erhebungen verdrängt wird. In diesem Fall ist die gewünschte Materialverschweißung im Bereich des oberen Erhebungsendes nicht zu erreichen und es kommt vielmehr im Bereich der Ausnehmungen zwischen den Erhebungen zu ungewünschten Verklumpungen bzw. optischen Beschädigungen des zu bearbeitenden Materials.
Von Seiten eines Herstellers, der seine Produkte unter Verwendung von Siegelnähten maschinell verpackt, besteht zusätzlich ein Interesse das gesamte Produktionsverfahren möglichst kostengünstig zu gestalten. Ein wichtiger Kostenbeitrag ist der zum Verschweißen aufgewendeten Energie geschuldet. Daher besteht eine weitere Anforderung an Siegelnähte darin, dass sie auf möglichst energiesparende Weise erzeugt werden können.
Dies bezüglich bietet beispielsweise das Verfahren der Ultraschallversiegelung Vorteile. Bei dieser Fertigungstechnik wird Energie in Form von mechanischen Schwingungen im Ultraschallbereich, d. h. in einem Frequenzbereich von etwa 20 kHz bis zu Frequenzen von 1 GHz, über eine Sonotrode auf das zu bearbeitende Material aufgebracht. Der Vorzug dieses Verfahrens gegenüber dem heute weit verbreiteten Heißsiegeln liegt in der Einsparung von Energie und somit Kosten.
Neben dem Produktionsverfahren bietet die Gestaltungsform der Siegelnahtstruktur Möglichkeiten zur Energieeinsparung. Die für das Verschweißen aufgewendete Energie korreliert mit der verschweißten Materialfläche: Je größer die zu verschweißende Fläche ist, desto mehr Energie muss eingesetzt werden. Unter dem Aspekt der Energieeinsparung, ist daher eine Siegelflächenstruktur von Vorteil, die bei einer möglichst geringen Gesamtfläche an verschweißtem Material eine größtmögliche Stabilität der Versiegelung gewährleistet.
Weitere Produktionskosten lassen sich durch eine Verringerung der Ausschussrate undichter Verpackungen einsparen. Zu undichten Versiegelungen im Falle von Quersiegelnähten kann es kommen, wenn über die gesamte Verpackungsbreite durchgängig angelegte Versiegelungen durch Produktionsfehler unterbrochen werden. Je breiter aber eine solche Verschweißungen ist, um so geringer ist die Gefahr, dass Produktionsfehler zu einer vollständigen Unterbrechung der Versiegelung führen können. Verwendet man jedoch zum Zwecke der Energieeinsparung dünner Verschweißungen, so wächst das Risiko undichter Verpackungen. In dieser Hinsicht wäre es vorteilhaft Siegelnahtstrukturen zu haben, die trotz einer in der Summe geringen Verschweißungsfläche die Ausschussrate an undichten Verpackungen minimieren.
Ausgehend vom beschriebenen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, Siegelflächenstrukturen bereitzustellen, mit denen Siegelnähte hergestellt werden können, deren Siegelnahtstrukturen energiesparend in der Produktion sind und zu einer geringen Ausschussrate führen, gleichzeitig aber auch stabile Versiegelungen mit guten Peeleigenschaften und ästhetisch ansprechendem Erscheinungsbild liefern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die zur Herstellung der Siegelnaht eingesetzte Siegelflächenstruktur von einer Reliefstruktur gebildet wird, die sich aus einer Vielzahl von Erhebungen, die über die Basisfläche hervorstehen, zusammensetzt, die in einer Schnittansicht senkrecht zur Siegelfläche in einem Abstand D zwischen 1,2 mm und 0,4 mm, vorzugsweise zwischen 1,0 mm und 0,5 mm, am besten zwischen 0,9 mm und 0,6 mm zueinander angeordnet sind. Dabei ist der Abstand D die parallel zur Basisfläche gemessene Entfernung zwischen den Punkten zweier benachbarter Erhebungen mit dem jeweils größten Abstand zur Basisfläche.
Um die Gesamtfläche an verschweißtem Material gering zu halten, müssen die Erhebungen möglichst schmale Berührungsflächen mit dem zu bearbeitenden Material aufweisen. In diesem Fall dürfen die Abstände zwischen den Erhebungen weder zu groß noch zu klein sein. Sind sie zu klein, nähert sich die resultierende Nahtfestigkeit der einer einzigen breiten Vollverschweißung an und wird zu groß. Sind sie zu groß, verliert die Siegelstruktur an Nahtfestigkeit und wird zu schwach um den oben definierten Qualitätskriterien genügen zu können. Es hat sich gezeigt, dass für typische Materialien im Bereich der Lebensmittelverpackung Abstände D zwischen benachbarten Erhebungen der Siegelfläche in dem o. g. Größenbereich zu Versiegelungen führen, die gute Peeleigenschaften mit hoher Nahtfestigkeit verbinden. Gleichzeitig ermöglichen Abstände in dieser Größenordnung Siegelstrukturen, die aufgrund ihrer geringen Gesamtfläche an verschweißtem Material trotzt der hohe Nahtfestigkeit energiesparend in der Produktion sind.
Vorteilhaft ist es außerdem, wenn sich die Erhebungen als Stege ausgebildet sind, da so sichergestellt werden kann, dass es bei einer Quersiegelnaht zu einer durchgängige Verschweißung über die gesamte Breite der Verpackung kommt und der Verschluss dicht ist.
Für die meisten Materialien, die in der Verpackungsfertigung Verwendung finden, hat es sich gezeigt, dass die Höhe der Erhebungen über die Basisfläche zwischen 0,6 mm und 0,1 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 0,2 mm, am besten zwischen 0,45 mm und 0,25 mm betragen sollte. Dabei wird die Basisfläche als eine rechteckige Fläche mit Länge L_B und Breite B_B gewählt. Auf dieser Basisfläche sind die Erhebungen aufgesetzt, so dass die Siegelfläche zumindest im Bereich der Basisfläche keinen Abschnitt hat, der ein niedrigeres Niveau als die Basisfläche hat. Für Erhebungen mit Höhen in diesem Größenbereich kann weitestgehend sichergestellt werden, dass die Gefahr von Verschweißungsfehlern bei den meisten Verpackungsmaterialien infolge ungünstig gewählter Erhebungshöhen weitestgehend vermieden wird.
Die Basisfläche kann ein beliebiger Abschnitt der Siegelfläche sein.
Um eine sinnvolle Basisfläche definieren zu können, die die wesentlichen Merkmale einer wie oben beschriebenen Siegelflächenstruktur erfasst, müssen sowohl die Länge L_B als auch die Breite B_B mindestens 2 × D, und am besten mindestens 4 × D betragen. Bei einem Abstand D von 0,8 mm zwischen benachbarten Erhebungen bedeutet dies, dass sowohl L_B als auch B_B mindestens 1,6 mm betragen sollten, um sicher zu stellen, dass die Basisfläche einen repräsentativen Ausschnitt der Reliefstruktur aus möglichst vollständigen Erhebungen und Ausnehmungen umfasst.
Bilden die Stege an der der Basisfläche abgewandten Seite Plateaus aus, so erzeugt dies Einzelnähte, die neben ihrer Länge durch ihre Breite charakterisiert sind. An der Verpackung angreifende Kräfte, beispielsweise beim Öffnen der Verpackung, verteilen sich in diesem Fall nicht nur kontinuierlich in Längsrichtung sondern auch in Querrichtung über die Siegelnähte. Da die Krafteinwirkung umso größer ist, je näher die Verschweißung an der Griffstelle liegt, ist insbesondere die Breite der Nähte für die Nahtfestigkeit maßgeblich, da sie die Größe der Verschweißung in der Nähe der Griffstelle festlegt. Durch den Einsatz von Plateaus lassen sich also Siegelnähten wohl definierter Stärke erzeugen. Der Abstand D zwischen zwei benachbarten Erhebungen in einer Schnittansicht senkrecht zur Siegelfläche ist im Falle von Plateaus durch die parallel zur Basisfläche gemessene Entfernung zwischen den Mittelpunkten der Plateaus in der Schnittansicht gegeben.
Die technische Herausforderung besteht darin, die Breite der Plateaus so zu wählen, dass sie sowohl eine hohe Nahtfestigkeit (erzielt durch breite Plateaus) als auch gute Peeleigenschaften (erzielt durch schmale Plateaus) garantiert. In der Praxis haben sich für die o. g. Abstände zwischen den Erhebungen Plateaubreiten von höchstens 0,30 mm, vorzugsweise zwischen 0,20 mm und 0,05 mm, am besten zwischen 0,17 mm und 0,08 mm als besonders vorteilhaft erwiesen. Bei diesen ist die Gesamtfläche an verschweißtem Material trotz guter Nahtfestigkeit minimiert und die dadurch erzielte Energieeinsparung optimiert.
Ebenfalls von Bedeutung für die Eigenschaften der Siegelnähte sind die Neigungswinkel möglicher an die Plateauebenen anschließender ebener Flankenflächen. Diese Winkel bestimmen, ob und in welchem Umfang es zu Teilverschweißungen der Verpackungsmaterialien zwischen den einzelnen vollverschweißten Nahtabschnitten kommt. Dadurch lassen sich wiederum die Übergänge zwischen vollverschweißten und losen Verpackungsabschnitten in ihrer Beschaffenheit variieren, was die Nahtfestigkeit der Gesamtversiegelung beeinflusst. Hierbei führen spitze Winkel zwischen Plateauebene und Flankenfläche zwischen 20° und 70°, vorzugsweise zwischen 30° und 60°, am besten zwischen 40° und 50° zu vorteilhaften Ergebnissen. Die hier und im Folgenden diskutierten Winkel sind stets Winkel zwischen Flächen in einer Schnittansicht senkrecht zu einer Basisfläche der Siegelfläche. Dabei gilt, dass die Basis der Erhebung auf der Basisfläche vorzugsweise die breiteste Stelle der Erhebung darstellt. Sind in diesem Fall die Winkel zu spitz, werden die Teilverschweißungen zu fest und die Verpackung lässt sich nur schwer Öffnen. Bei zu flachen Winkeln haben die Teilverschweißungen keinen nennenswerten Effekt auf die Nahtfestigkeit der Gesamtversiegelung. Da die Teilverschweißungen aber zu einer zusätzlichen Stabilisierung der Siegelnähte führen, sind sie bei der Minimierung der vollversiegelten Flächen hilfreich.
Auch durch die Anordnung der Stege kann Einfluss auf die Siegelnahteigenschaften genommen werden. Parallele, längs der Siegelnaht verlaufende Stege ermöglichen eine durchgängige, dichte Versiegelung über die gesamte Länge der Siegelnaht. Durch Einsatz von mehreren parallelen Stegen, kann auch bei geringer Plateaubreite gewährleistet werden, das die Versiegelung selbst im Falle von Produktionsfehlern bei einzelnen Nähten dicht ist. Sollte ein Steg unterbrochen sein, so sorgen die verbliebenen intakten Einzelnähte für den Erhalt der Dichtigkeit und Beständigkeit der Versiegelung, wodurch die Ausschussrate gering gehalten wird.
Die Versiegelungsstege können sich auch kreuzen. Der Vorteil einer gekreuzten Struktur liegt darin, dass auf die Versiegelung einwirkende Kräfte gleichmäßiger über die gesamte Siegelnahtfläche verteilt werden. Hinzu kommt, dass bei einer punktuellen Beschädigung einer einzelnen Siegelnaht infolge eines Produktionsfehlers oder Vergleichbarem nicht die gesamte Einzelnaht ihre Wirkung hinsichtlich der Dichtigkeit der Verschweißung verliert, sondern abhängig von der konkreten Form der gekreuzten Struktur höchstens ein räumlich sehr begrenzter Teilabschnitt seine Dichtigkeitswirkung einbüßt. Die Siegelnahtstruktur als Ganzes behält aber ihre Dichtigkeit. Es hat sich überraschend gezeigt, dass eine zweckmäßige Nahtfestigkeit selbst für geringe Plateaubreiten erzielt werden kann. Eine besonders stabile und optisch ansprechende Siegelstruktur wird durch zwei jeweils parallel zueinander verlaufende Sätze von Stegen erreicht, die sich in einem Winkel zwischen 60° und 120°, vorzugsweise zwischen 70° und 110°, am besten zwischen 80° und 100° schneiden. Durch das Kreuzen der Nähte wird die Versiegelungsstruktur in der Fläche gleichmäßiger und somit stabiler gegenüber Kräften, die nicht senkrecht zur Siegelfläche angreifen. Denkbar sind dabei sowohl Ausführungsformen, in denen die Abstände D zwischen den parallelen Stegen variieren, als auch solche in denen D konstant ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Erhebungen zwei oder mehrere Sätze aus jeweils einer Mehrzahl von parallel zu einander verlaufenden Stege bilden. Die einzelnen Sätze kreuzen sich und schließen dabei vorzugsweise einen Winkel zwischen 60° und 120° und am besten zwischen 80° und 100° ein.
Die parallel zu einander verlaufenden Stege eines Satzes können entweder konstante Abstände zueinander bilden oder die Abstände zwischen den parallel zu einander verlaufenden Stegen können variieren.
Insbesondere bei der Ausbildung der Erhebungen als Stege verbleiben zwischen den Stegen Rillen, die prinzipiell auch als Ausnehmungen angesehen werden könnten.
Ein weiterer Faktor, der die Eigenschaften der Versiegelung bestimmt, ist das Verhältnis zwischen dem Volumen dieser Ausnehmungen V_A über der Basisfläche und einem Basis- oder Referenzvolumen V_B. Die Basisfläche kann wiederum als rechteckige Fläche mit Länge L_B und Breite B_B gewählt werden. Das Basisvolumen V_B ist dann definiert als die Fläche der Basisfläche multipliziert mit der Höhe der höchsten Erhebung H über der Basisfläche, d. h. V_R = L_R × B_B × H. Das Volumen der Ausnehmungen V_A ist gegeben durch das Basisvolumen abzüglich des Volumens der Erhebungen über der Basisfläche. Somit kann das Verhältnis zwischen dem Volumen der Ausnehmungen V_A und dem Basisvolumen V_B angegeben werden als
Die Basisfläche sollte so gewählt werden, dass sie einen repräsentativen Ausschnitt der Reliefstruktur aus möglichst vollständigen Erhebungen und Ausnehmungen umfasst.
Im Zuge der Verschweißung im oberen Bereich der Erhebungen kommt es zu einem teilweisen Schmelzen des zu bearbeitenden Materials. An den oberen Enden der Erhebungen wirkt zugleich der höchste Druck auf das Material. Dies führt zu einer Materialverdrängung in die Bereiche zwischen den Erhebungen. Hier gilt es zu vermeiden, dass bei zu schmalen Ausnehmungen verglichen mit der Größe der Erhebungen das Material im Bereich der Ausnehmungen derart komprimiert wird, dass es auch hier zu Verklumpungen oder gar Vollverschweißungen kommt. Andererseits können Teilversschweißungen gezielt gesteuert werden, wodurch sich die Eigenschaften des Versiegelung variieren und positiv beeinflussen lassen. Als vorteilhaft hat sich ein Verhältnisse zwischen dem Volumen der Ausnehmungen V_A und dem Basisvolumen V_B im Bereich zwischen 0,68 und 0,25, vorzugsweise zwischen 0,63 und 0,30, am besten zwischen 0,58 und 0,35 erwiesen.
Eine alternative Struktur der Siegelnahtfläche bietet sich in Form von Stegen mit gekrümmten Flächenabschnitten an der der Basisfläche abgewandten Seite an. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil kontinuierlicher Übergänge zwischen vollversiegelten und unversiegelten Materialabschnitten ohne die Gefahr möglicher Materialverletzungen durch den Einsatz von Kanten. Jedoch ist dadurch die Größe der vollversiegelten Materialfläche nicht so genau steuerbar, wie es im Fall der Plateaus möglich ist. Die kontinuierlichen Übergänge führen andererseits zu einer optisch weicheren Erscheinungsform der Gesamtsiegelnaht.
Auch im Falle abgerundeter Stege können die Ergebnisse der Versiegelung weiter differenziert und optimiert werden, etwa durch den Einsatz unterschiedlicher Krümmungsradien für die gekrümmten Flächenabschnitte. Hierbei empfehlen sich für typische Verpackungsmaterialien Krümmungsradien von höchstens 0,5 mm, vorzugsweise zwischen 0,15 mm und 0,05 mm, am besten zwischen 0,12 mm und 0,08 mm. Es gilt, je größer der Radius, desto größer die stark- bis vollversiegelten Materialabschnitte.
Ebenso ist es von Vorteil, dass an die gekrümmten Flächen ebene Flankenflächen anschließen, die mit der Tangente an den jeweils höchsten Punkt der Erhebungen nach Möglichkeit einen spitzen Winkel zwischen 20° und 70°, vorzugsweise zwischen 30° und 60°, am besten zwischen 40° und 50° bilden. Bei einer Neigung der Flankenflächen in diesem Winkelbereich kommt es zu Teilverschweißungen, deren Grad gerade so gewählt ist, dass die Vollverschweißungen optimal gestützt werden ohne die Peeleigenschaften der Siegelnaht zu beeinträchtigen.
Denkbar sind des Weiteren Strukturen, bei denen sowohl Stege mit Plateaus als auch solche mit gekrümmten Flächen zum Einsatz kommen und somit die Vorteile beider Ausführungsformungen miteinander kombiniert werden.
Das optische Erscheinungsbild der Siegelnaht kann darüber hinaus sowohl durch den Einsatz variierender Neigungswinkel der Flankenflächen als auch durch variierende Abstände D zwischen den Erhebungen beeinflusst werden. So sind Ausführungsformen möglich, bei denen bestimmte Muster oder Schriftzüge mittels Siegelnahtstruktur dem Verpackungsmaterial aufgeprägt werden.
In Hinblick auf Energieeinsparungen bietet sich das Verfahren der Ultraschallverschweißung zur Herstellung von Quersiegelnähten an. Der Vorzug dieses Verfahrens gegenüber dem heute weit verbreiteten Verschweißen mittels Heißsiegeln liegt zum einen in der Einsparung von Energie und somit Kosten, zum anderen in der Möglichkeit, die eingesetzte Energie effektiv zu fokussieren und somit punktuell einzusetzen. Dies wiederum hat zur Folge, dass die Verwendung von sehr feinen Siegelnahtstrukturen möglich wird, die alle oben in Hinblick auf die Qualitätsmerkmale definierten Anforderungen erfüllen. Bei der Verschweißung mittels Ultraschall, wobei eines der beiden Werkzeugelemente eine Sonotrode ist, erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Siegelfläche mit Reliefstruktur auf der der Sonotrode zugewandten Seite des gegenüberliegenden Elements angeordnet ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung von fünf beispielhaften Ausführungsformen und der dazugehörigen Figuren.
Es zeigen:
1a eine erste beispielhafte Ausführungsform einer Siegelnahtleiste,
1b eine Seitenansicht der Siegelnahtleiste mit eingezeichneter Schnittebene A-A,
1c eine senkrechte Ansicht der Siegelfläche der Siegelnahtleiste von oben,
1d eine Schnittansicht der Siegelnahtleiste nach A-A aus 1b,
1e eine Detailansicht des Schnitts nach A-A aus 1b,
2a eine zweite beispielhafte Ausführungsform einer Siegelnahtleiste,
2b eine Seitenansicht der Siegelnahtleiste mit eingezeichneter Schnittebene A-A,
2c eine senkrechte Ansicht der Siegelfläche der Siegelnahtleiste von oben mit eingezeichneten Schnittebenen B-B und C-C,
2d eine Schnittansicht der Siegelnahtleiste nach A-A aus 2b,
2e eine Detailansicht des Schnitts nach A-A aus 2b,
2f eine Schnittansicht der Siegelnahtleiste nach C-C aus 2c,
2g eine Detailansicht des Schnitts nach C-C aus 2c,
2h eine Schnittansicht der Siegelnahtleiste nach D-D aus 2c,
2i eine Detailansicht des Schnitts nach D-D aus 2c,
2j eine Detailansicht der Reliefstruktur der Siegelnahtleiste,
3a eine dritte beispielhafte Ausführungsform einer Siegelnahtleiste,
3b eine Seitenansicht der Siegelnahtleiste mit eingezeichneter Schnittebene A-A,
3c eine senkrechte Ansicht der Siegelfläche der Siegelnahtleiste von oben,
3d eine Schnittansicht der Siegelnahtleiste nach A-A aus 3b,
3e eine Detailansicht des Schnitts nach A-A aus 3b,
4a eine vierte beispielhafte Ausführungsform einer Siegelnahtleiste,
4b eine Seitenansicht der Siegelnahtleiste mit eingezeichneter Schnittebene A-A,
4c eine senkrechte Ansicht der Siegelfläche der Siegelnahtleiste von oben,
4d eine Schnittansicht der Siegelnahtleiste nach A-A aus 4b,
4e eine erste Detailansicht des Schnitts nach A-A aus 4b,
4f eine zweite Detailansicht des Schnitts nach A-A aus 4b,
4g eine Detailansicht der Reliefstruktur der Siegelnahtleiste,
5a eine fünfte beispielhafte Ausführungsform einer Siegelnahtleiste und
5b eine Querseite der Siegelnahtleiste.
In 1a ist eine erste Siegelnahtleiste 1 mit durchgängigen seitlich angebrachten Bohrlöchern 3 zur Befestigung in einer Verpackungsmaschine zu sehen. Die Siegelnahtleiste 1 weist die Form eines länglichen Quaders auf, wobei die Längsseite mit Reliefstruktur 10 schmaler ist als die Längsseiten mit Bohrungen 3. Die Siegelfläche 2 erstreckt sich in der dargestellten Ausführungsform über die gesamte obere Seitenfläche der Siegelnahtleiste 1. In 1b ist eine Seitenansicht der Siegelnahtleiste 1 zu sehen, in der eine Schnittebene A-A senkrecht zur Siegelebene eingezeichnet ist. 1c stellt eine senkrechte Ansicht der Siegelfläche 2 von oben dar. In 1d ist eine Querschnittsansicht X nach A-A aus 1b gezeigt, die in 1e nochmals als Detailansicht dargestellt ist. Zu sehen sind Erhebungen 4 in Form von parallel verlaufenden Stegen, die auf der der Basisfläche 9 abgewandten Seite Plateaus 5 ausprägen. Die Rillen bzw. Ausnehmungen 12 zwischen den Erhebungen 4 laufen zur Basisfläche 9 hin spitz zu. In dieser Ausführungsform sind die Abstände D zwischen den einzelnen Plateaus 5 sowie die Plateaubreiten P für alle Erhebungen 4 identisch gehalten. Die Höhe H der Erhebungen 4 über die Basisfläche 9 ist ebenfalls für alle Stege gleich, wobei das Verhältnis zwischen der Höhe H der Erhebungen 4 und dem Abstand D zwischen benachbarten Stegen 1:2 beträgt. Darüber hinaus weisen alle Flankenflächen 6 der Erhebungen 4 den gleichen Neigungswinkel 7 von 45° gegenüber der Basisfläche 9 auf. Diese gleichmäßige Siegelflächenstruktur führt beim Verschweißen zu einer entsprechend gleichmäßigen Siegelnahtstrukturen.
In den 2a bis 2j wird eine zweite Siegelnahtleiste 1' dargestellt, die eine Siegelflächenstruktur aufweist bestehend aus Erhebungen 4, die Stege mit Plateaus 5 ausbilden. An der länglichen, quaderförmigen Siegelnahtleiste 1' in 2a sind seitlich Bohrlöchern 3 zur Befestigung in einer Verpackungsmaschine angeordnet. In dieser Ausführungsform finden sich zwei Sätze parallel zueinander verlaufender Stege, die sich in einem Winkel von 90° schneiden. Im Detail ersichtlich ist diese Struktur in 2j, einer Detailansicht W der Reliefstruktur der Siegelfläche 2' aus 2a. Die Stege schließen mit den Längskanten des Quaders jeweils einen Winkel von 45° ein. Die Längsseite mit Reliefstruktur 10' ist schmaler als die durchbohrten Längsseiten, wobei sich die Siegelfläche 2' über die gesamte Längsseite erstreckt. Die Siegelfläche 2' ist in den 2d bis 2i in unterschiedlichen Schnitten senkrecht zur Siegelebene entlang den Schnittebenen A-A, B-B und C-C gezeigt, wie sie in den 2b und 2c festgelegt sind. Hierbei zeigt 2b eine Seitenansicht und 2c eine senkrechte Ansicht der Siegelfläche 2' der Siegelnahtleiste 1' von oben. 2d stellt eine Querschnittsansicht entlang der Schnittebene A-A dar. In 2e ist eine Detailansicht des Querschnitts X' aus 2d gezeigt. In dieser Darstellung verläuft der Schnitt exakt durch die Schnittpunkte der Stege. Zu den Querschnitten aus den 2f bzw. 2h finden sich in den 2g bzw. 2i Detailansichten. Die Schnittansicht in 2g zeigt einen Schnitt senkrecht zur Siegelfläche 2', der einen Winkel von 45° mit der Längsachse der Leiste einschließt. Der Schnitt in 2i verläuft ebenfalls senkrecht zur Siegelnahtfläche und schließt mit der Schnittebene der 2g einen Winkel von 90° ein. In der Ähnlichkeiten zwischen den 2g und 2i spiegelt sich die Symmetrie der Reliefstruktur 10' wieder. Die Plateaubreiten P sowie die Abstände D zwischen benachbarten parallelen Stegen sind für alle Erhebungen 4 gleich. Ebenso besitzen alle Erhebungen 4 die gleiche Höhe H, wie auch alle Flankenflächen 6 an den Erhebungen 4 den gleichen Neigungswinkel 7 von 45° aufweisen. Am Fuß der Erhebungen 4 schließt sich an die Flankenflächen 6 direkt die Basisfläche 9 an. In der vorliegenden Ausführungsform weist die Basisfläche 9 in den Ausnehmungen 12 zwischen den Erhebungen 4 die Form von Quadraten auf. Das Verhältnis zwischen der Plateaubreite P der Stege und der Seitenlange L der Quadrate beträgt 1:2, während das Verhältnis zwischen der Höhe H der Erhebungen 4 und der Seitenlänge L 2:3 ist. Eine solche Siegelflächenstruktur führt beim Verschweißen zu einem gleichmäßigen, symmetrischen Aussehen der Siegelnahtstruktur, die aufgrund der zahlreichen sich kreuzenden Einzelnähte eine hohe Stabilität besitzt.
Eine dritte beispielhafte Ausführungsform ist in den 3a bis 3e zu sehen, wobei 3a eine Siegelnahtleiste 1'' von der Form eines länglichen Quaders mit durchgängigen, seitlich angebrachten Bohrlöchern 3 zur Montage in einer Verpackungsmaschine darstellt. Die Reliefstruktur 10'' verläuft über die gesamte Längsseite des Quaders, wobei diese schmaler ist als die Längsseiten mit Bohrungen 3. In 3b ist eine Seitenansicht der Siegelnahtleiste 1'' gezeigt, in der die Schnittebene A-A senkrecht zur Siegelebene definiert ist. Des weiteren findet sich in 3c eine senkrechte Ansicht der Siegelfläche 2'' von oben. 3d besteht aus einem Schnitt entlang der Schnittebene A-A. Dieser Schnitt ist in 3e in einer Detailansicht dargestellt. Zu sehen sind in 3e parallele Stege bildende Erhebungen 4, die oben gekrümmte Flächen 11 aufweisen sowie an den Seiten ebene Flankenflächen 6 mit jeweils gleichem Neigungswinkel 7. Die Höhen H aller Erhebungen 4 über die Basisfläche 9 sind identisch. Der spitze Winkel, den die Flankenflächen 6 jeweils mit der Tangente 8 an den höchsten Punkt einer Erhebung 4 einschließen, beträgt 45°. Das Verhältnis zwischen der Höhe H und dem Abstand D zwischen benachbarten Stegen ist 1:2. Das Verhältnis zwischen Steghöhe H und Krümmungsradius der gekrümmten Flächen 11 beträgt 8:1. Die Ausnehmungen 12 zwischen den Stegen laufen zur Basisfläche 9 hin spitz zu. Eine derartige Siegelflächenstruktur führt beim Versiegeln zu einer Siegelnahtstruktur mit einem gleichmäßigem Muster, deren Einzelnähte aufgrund der Abrundungen ein weiches, fließendes Aussehen der Versiegelung erzeugen.
Gezeigt ist in den 4a bis 4g eine vierte erfindungsgemäßen Siegelnahtleiste 1'''. In 4a ist eine Siegelnahtleiste 1''' zu sehen, die im Wesentlichen die Form eines länglichen Quaders mit seitlich angeordneten Montagebohrungen 3 aufweist. Die Reliefstruktur 10''' umfasst eine gesamte Längsseite des Quaders, die schmaler ist als die Längsseiten mit Bohrungen 3. In der Seitenansicht der Siegelnahtleiste 1''' in 4b ist die Schnittebene A-A senkrecht zur Siegelebene festgelegt. Eine senkrechte Ansicht der Siegelfläche 2''' von oben findet sich in 4c. 4d umfasst eine Schnittansicht entlang der Schnittebene A-A. Eine Detailansicht dieses Schnitts ist in 4e dargestellt. Zu sehen sind die Erhebungen 4 in 4e als parallel verlaufenden Stege mit Plateaus 5 sowie ebenen Flankenflächen 6 an den Seiten, die alle den gleichen Neigungswinkel 7 aufweisen. Die Plateaus 5 der beiden äußeren Erhebungen 4 besitzen identische Plateaubreiten P', die sich von den restlichen jeweils identischen Plateaubreiten P der inneren Erhebungen 4 unterscheiden. Das Verhältnis zwischen inneren und äußeren Plateaubreiten beträgt 1:2. Die Höhe H aller Erhebungen 4 über der Basisfläche 9 ist gleich. Die Flankenflächen 6 schließen mit der Basisfläche 9 spitze Winkel von 45° ein. Das Verhältnis zwischen der Höhe H und dem Abstand D zwischen benachbarten Stegen beträgt 1:2. Die Ausnehmungen 12 zwischen den Stegen laufen zur Basisfläche 9 hin spitz zu. Die äußeren Flankenflächen 6 der beiden äußersten Erhebungen stehen jeweils senkrecht auf der Basisfläche. Außerdem weisen die äußeren Erhebungen jeweils eine Fase in Form von gekrümmten Fläche 11 mit identischem Krümmungsradius R' auf. Dabei gilt, dass das Verhältnis zwischen äußerer Plateaubreite P' und Krümmungsradius R' 4:3 beträgt. Darüber hinaus ist die Fase symmetrisch bezüglich einer Geraden ausgestaltet, die mit der Basisfläche 9 einen Winkel von 45° einschließt und durch den Krümmungsmittelpunkt des Krümmungsradius R' verläuft. Ebenso weist die Siegelnahtleiste 1''' an den Rändern der Siegelfläche 2''' Fasen mit Radius R'' auf.
Die 5a und 5b zeigen eine letzte beispielhafte Ausführungsform. Wie in 5a zu sehen ist, umfasst die Reliefstruktur 10'''' dieser Siegelnahtleiste 1'''' lediglich zwei Erhebungen 4 in Form von parallel zur Längsseite der Siegelnahtleiste 1'''' über die gesamte Siegelfläche 2'''' verlaufenden Stegen. Diese Stege mit Plateaus 5 weisen seitlich an die Plateaus 5 anschließende Fasen in Gestalt von gekrümmten Flächen 11 mit Krümmungsradius R''' auf. In 5b ist eine Querseite, der im Wesentlichen länglich, quaderförmigen Siegelnahtleiste 1'''' gezeigt.
Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den abhängigen Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarer Merkmalskombinationen und die Betonung der Unabhängigkeit der einzelnen Merkmale voneinander wird hier nur der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.
Bezugszeichenliste

1: Siegelnahtleiste
1': Siegelnahtleiste
1'': Siegelnahtleiste
1''': Siegelnahtleiste
1'''': Siegelnahtleiste
2: Siegelfläche
2': Siegelfläche
2'': Siegelfläche
2''': Siegelfläche
2'''': Siegelfläche
3: Bohrloch
4: Erhebung
5: Plateau
6: Flankenfläche
7: Neigungswinkel
8: Tangente
9: Basisfläche
10: Reliefstruktur
10': Reliefstruktur
10'': Reliefstruktur
10''': Reliefstruktur
10'''': Reliefstruktur
11: Gekrümmte Fläche
12: Ausnehmung
D: Abstand
H: Höhe
L: Seitenlänge
P: Plateaubreite
P': Plateaubreite
R: Krümmungsradius
R': Krümmungsradius
R'': Krümmungsradius
R''': Krümmungsradius
W: Detailansicht nach 2a
X: Querschnittsansicht nach 1d
X': Querschnittsansicht nach 2d
X'': Querschnittsansicht nach 3d
X''': Querschnittsansicht nach 4d
Y: Querschnittsansicht nach 2f
Y': Querschnittsansicht nach 4a
Z: Querschnittsansicht nach 2h

Claims

Werkzeug zur Herstellung einer Siegelnaht bestehend aus zwei aufeinander zu bewegbaren Elementen, von denen eines eine Siegelfläche (2, 2', 2'', 2''', 2'''') mit einer vorzugsweise ebenen Basisfläche (9) und auf der Basisfläche (9) aufgesetzter Reliefstruktur (10, 10', 10'', 10''', 10'''') aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Reliefstruktur (10, 10', 10'', 10''', 10'''') aus einer Vielzahl von Erhebungen (4), die über die Basisfläche (9) hervorstehen, zusammensetzt, die in einer Schnittansicht senkrecht zur Siegelfläche (2, 2', 2'', 2''', 2'''') in einem Abstand D zwischen 1,2 mm und 0,4 mm, vorzugsweise zwischen 1,0 mm und 0,5 mm, am besten zwischen 0,9 mm und 0,6 mm zueinander angeordnet sind.
Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (4) auf der Basisfläche (9) als Stege ausgebildet sind.
Werkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe H der Erhebungen (4) über der Basisfläche (9) zwischen 0,6 mm und 0,1 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 0,2 mm, am besten zwischen 0,45 mm und 0,25 mm beträgt.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen als Plateaus (5) bestehend aus Flächenabschnitten mit konstantem Abstand zur Basisfläche (9) ausgebildet sind.
Werkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Plateaus (5) eine Breite P von höchstens 0,30 mm, vorzugsweise zwischen 0,20 mm und 0,05 mm, am besten zwischen 0,17 mm und 0,08 mm aufweisen.
Werkzeug nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (4) an die Plateaus (5) anschließende ebene Flankenflächen (6) besitzen, die mit der Plateauebene einen spitzen Winkel (7) zwischen 20° und 70°, vorzugsweise zwischen 30° und 60°, am besten zwischen 40° und 50° bilden.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege sich kreuzen.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (4) zwei Sätze aus jeweils einer Mehrzahl von parallel zueinander verlaufender Stege bilden, die sich in einem Winkel zwischen 60° und 120°, vorzugsweise zwischen 70° und 110°, am besten zwischen 80° und 100° schneiden.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis
zwischen dem Volumen der Ausnehmungen (12) V_A und einem Basisvolumen V_B, welches sich als Produkt aus der Basisfläche (9) und der Höhe H der höchsten Erhebung (4) über der Basisfläche (9) berechnet, zwischen 0,68 und 0,25, vorzugsweise zwischen 0,63 und 0,30, am besten zwischen 0,58 und 0,35 beträgt, wobei das Volumen der Ausnehmunger (12) V_A gegeben ist durch das Basisvolumen V_B abzüglich des Volumens der Erhebungen (4) über der Basisfläche (9).
Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (4) an der der Basisfläche (9) abgewandten Seite einen gekrümmten Flächenabschnitt (11) vorzugsweise mit konstantem Krümmungsradius (R, R', R''') aufweisen.
Werkzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die gekrümmtem Flächen (11) einen Krümmungsradius (R, R', R''') von höchstens 0,5 mm, vorzugsweise zwischen 0,15 mm und 0,05 mm, am besten zwischen 0,12 mm und 0,08 mm aufweisen.
Werkzeug nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (4) an die gekrümmten Flächen (11) anschließende ebene Flankenflächen (6) aufweisen, die mit der Tangente (8) an den höchsten Punkt der Erhebung (4) einen spitzen Winkel (7) zwischen 20° und 70°, Vorzugsweise zwischen 30° und 60°, am besten zwischen 40° und 50° einschließen.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eines der beiden Werkzeugelemente aus einer Sonotrode besteht, wobei sich die Siegelfläche (2, 2', 2'', 2''', 2'''') mit Reliefstruktur (10, 10', 10'', 10''', 10'''') vorzugsweise auf dem entsprechenden Gegenelement zur Sonotrode angeordnet ist.