DE102011005997A1

DE102011005997A1 - Verfahren zum Anbringen einer Öffnungs- und Schliessvorrichtung auf einen Schlauchbeutel mittels Ultraschallschweissung

Info

Publication number: DE102011005997A1
Application number: DE102011005997A
Authority: DE
Inventors: Dan Barron
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-03-23
Filing date: 2011-03-23
Publication date: 2012-09-27
Also published as: WO2012126732A1

Abstract

Es wird ein Verfahren vorgeschlagen bei dem eine Öffnungs- und Schliessvorrichtung (10) auf einer Schlauchbeutelfolie (2) selbst aufschweissbar ist auch wenn diese aus HDPE Material besteht. Hierzu wird der Flansch (12) der Öffnungs- und Schliessvorrichtung (10) mit einer Sonotrode (40) mit Kavitäten (44) verschweisst, wobei der Flansch (12) dünner (Δh) wird und mit Erhebungen (30) entstehen. Dies erhöht die Haftung der Vorrichtung (10) auf der Schlauchbeutelfolie und bei Flexibilität in Schweissbereich.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anbringen einer Öffnungs- und Schliessvorrichtung mit einem Ausgussteil aus Kunststoff mit einem endständigen Befestigungsflansch mit darauf aufschraubbarem Deckel und gegebenenfalls einem Durchstosser zur Öffnung eines Schlauchbeutels auf den die Öffnungs- und Schliessvorrichtung mit dem Befestigungsflansch mittels Ultraschallschweissung anzubringen ist.
Schlauchbeutel sind bereits seit über 50 Jahren für Getränkeverpackungen auf dem Markt. Ursprünglich waren dies kleine Kunststoffschlauchbeutel, die übers Kreuz auf der einen und auf der anderen Seite verschweisst wurden und so einen Tetraeder bildeten. Diese Verpackungen bedingten speziell geformte Transportbehältnisse, passten nicht in die bestehenden Regale und die Schweissnähte waren nicht besonders belastbar. Entsprechend waren lecke Verpackungen relativ häufig. Daher verschwanden diese Verpackungen vom Markt und wurden durch Schlauchbeutel ersetzt, die aus mehrlagigem Material bestehen, die Lagen aus Papier oder Karton, aus Kunststoff und Aluminium umfassen. Diese Verpackungen sind heute im Getränkemarkt insbesondere für Milch- und Fruchtsaftgetränke stark verbreitet. Der Weltmarkt wird für diese Art der Verpackungen auf rund 100 bis 200 Milliarden Stück pro Jahr geschatzt. Der Vorteil dieser Art der Verpackungen besteht in derer Formstabilitat und Festigkeit. Daher war es lange Zeit nachteilig, dass sich diese Verpackungen schlecht öffnen liessen und entsprechend das Ausgiessen problematisch war. Die Schlauchbeutel wurden üblicherweise aufgerissen oder mit der Schere aufgeschnitten und eine Wiederverschliessbarkeit war praktisch nicht gegeben.
Erst seit rund 20 Jahren werden auf diese Schlauchbeutel Öffnungs- und Schliessvorrichtungen mit einem Ausgussteil angebracht. Bei den älteren Versionen ist im Schlauchbeutel bereits eine Öffnung eingestanzt und auf den Schlauchbeutel wird dann eine Öffnungs- und Schliessvorrichtung aufgeschweisst, die wie Eingangs erwähnt einen Ausgussteil mit einem endständigen Befestigungsflansch aufweist. Auf diesem Aufgussteil ist dann ein Schraubverschluss befestigt. Diese Art der Verschlüsse hat sich aber praktisch nur im Bereich der Nichtlebensmittel durchgesetzt, wo eine aseptische Verpackung nicht zwingend ist. Erst später kamen Öffnungs- und Schliessvorrichtungen auf den Markt, die zusätzlich einen Durchstosser aufweisen mittels dem die Folie des Schlauchbeutels beim Abschrauben der Kappe aufgeschnitten wird. Diese beiden zu letzt genannten Lösungen dominieren heute den Markt.
Schlauchbeutel aus mehreren Lagen, nämlich aus Papier oder Karton, Kunststofffolien und Aluminiumlagen kommen nun aber immer mehr in Verruf. Der Vorteil der Formstabilität wirkt sich nun immer mehr als Nachteil aus, da diese Schlauchbeutel entsprechend voluminös in der Entsorgung sind, wenn diese nicht entfaltet und flach gepresst werden und danach wieder verschlossen, so nehmen solche Verpackungen in der Entsorgung zu viel Platz weg. Da heute die Abfallentsorgung über Sackgebühren verrechnet werden, kommt dies dem Konsumenten teuer zu stehen. Des weiteren sind derartige Verpackungen auch umweltbelastend, da diese eine Vielzahl unterschiedlicher Materialien aufweist, die eigentlich gesondert zu entsorgen wären. Die gesonderte Rücknahme solcher Verpackungen wird zwar mancherorts angeboten, hat sich aber nicht durchgesetzt.
Die Anmelderin hat sich nun darauf spezialisiert wieder Schlauchbeutel aus reinem Kunststoff zu fertigen, nach dem Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Bei diesem bekannten Verfahren wird aus der Folie aus HDPE Kunststoff vorerst ein Loch gestanzt und dann auf der Innenfläche ein Kunststoffflicken aus LDPE thermoplastisch aufgeschweisst. Das ausgestanzte Loch ist dabei geringfügig grösser als der Aussendurchmesser des Befestigungsflansches der Offnungs- und Schliessvorrichtung. Der Flansch wird so positioniert, dass er vollständig auf dem Folienflicken aus LDPE aufliegt und dann mittels Ultraschallverschweissung darauf befestigbar ist. Üblicherweise weist der Befestigungsflansch auf seiner Fläche die mit dem Folienflicken verbunden wird eine ringförmige Energieleitwulst auf. Bei der Ultraschallschweissung schmilzt diese Energieleitwulst und bildet so eine ringförmige Schweissfläche die breiter ist als die Energieleitwulst. Die Anmelderin hat dann gefunden, dass die Schweissverbindung sich verbessern lässt, wenn man statt einer einzigen ringförmigen Energieleitwulst drei konzentrische Energieleitwulste anbringt. Hierdurch lässt sich der Energieaufwand und die Schweisszeit reduzieren, während gleichzeitig die Fläche der Schweissverbindung vergrössert wird. Die Höhe der ringförmigen Energieschweisswulste in konzentrischer Anordnung ist dabei geringer als die Höhe einer einzigen ringförmigen Energieleitwulst. Des weiteren wurde festgestellt, dass die Haftfähigkeit erhoht wird, indem man als Gegendruckfläche unterhalb jenem Bereich auf dem die Sonotrode aufliegt einen Amboss hat, der eine gitterförmige Rasterstruktur aufweist, der somit während des Schweissvorganges unter dem Folienflicken liegt.
Problemtatisch ist dabei jedoch die exakte Ausrichtung des Flansches mittig im Bereiche des vom Folienflicken verschlossenen eingestanzten Loches. Bereits leichte Abweichungen sind vom Auge sofort ersichtlich und wirken unästhetisch. Des weiteren ist die Dichtigkeit des Schlauchbeutels bei dieser Variante immer von zwei Schweissverbindungen abhängig. Ist die Schweissverbindung zwischen Schlauchbeutel und Folienflicken ungenügend, so führt dies zu einer Leckage genauso wenn die Schweissverbindung zwischen dem Befestigungsflansch und dem Folienflicken ungenügend ist.
Es ist nunmehr die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches es ermöglicht eine zuverlässige Schweissverbindung zwischen dem Befestigungsflansch der Öffnungs- und Schliessverbindung und der Schlauchbeutelfolie zu realisieren.
Diese Aufgabe löst ein Verfahren der eingangs genannten Art, welches sich durch die Schritte gemass dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 auszeichnet.
In einer einfachsten Ausführungsform wird auf die Stanzung eines Loches verzichtet und somit auch auf das Anbringen eines Folienflickens und die Öffnungs- und Schliessvorrichtung wird mit dessen Befestigungsflansch direkt auf die Schlauchbeutelfolie aufgeschweisst. Hierdurch lässt sich eine aseptische Abfüllung ermöglichen. Bedingung ist jedoch, dass dann eine entsprechende Öffnungs- und Schliessvorrichtung gewählt wird, die einen entsprechenden Durchstosser aufweist, der zur Öffnung des Schlauchbeutels geeignet ist. Solche Öffnungs- und Schliessvorrichtungen sind in grosser Zahl bekannt. Da die Schlauchbeutelfolie bevorzugt aus einer HDPE-Folie besteht, die jedoch relativ hart ist, bedingt dies einer äusserst stabilen Gestaltung des Durchstossers.
In einer weiteren erfindungsgemassen Ausführungsform wird in der Schlauchbeutelfolie vor dem Schweissvorgang ein Loch gestanzt, dessen Durchmesser dem Innendurchmesser des Befestigungsflansches entspricht. Hierdurch kommt der Befestigungsflansch immer noch direkt auf der Folie des Schlauchbeutels zu liegen während des Schweissvorganges. Da der Verbindungsflansch wesentlich grösser ist als die Austanzung, ist eine dichte und optisch einwandfreie Lösung auch dann gegeben, wenn die Öffnungs- und Schliessvorrichtung nicht 100% exakt zentrisch über dem ausgestanzten Loch zu liegen kommt. Wird keine aseptisch verschlossene Verpackung benötigt, so erübrigt sich in diesem Falle auch die Anbringung eines Durchstossers, da entsprechend dann auch kein Folienflicken auf der Innenseite angeschweisst werden muss.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann aber auch in diesem Falle ein Folienflicken uber das ausgestanzte Loch angebracht werden und dieser Folienflicken kann aus LDPE-Folie gestanzt sein. Obwohl in diesem Falle wiederum zwei Schweissnähte vorhanden sind, führt eine eventuelle Leckage zwischen dem Folienflicken und der Folie aus dem der Schlauchbeutel gefertigt ist, nicht zu einer Leckage des verschlossenen Schlauchbeutels, da dieser noch immer durch den Verschluss der Öffnungs- und Schliessvorrichtung verschlossen ist und die Vorrichtung direkt auf die Schlauchbeutelfolie aufgeschweisst ist. Für eine bleibende Leckage müssten beide Schweissungen undicht sein. Diese Wahrscheinlichkeit ist aber sehr gering. Eine aseptische Lösung mit Verwendung eines Folienflickens aus LDPE-Folienmaterial ist deshalb sinnvoll, weil dies eine wesentlich leichtere Öffnung mittels dem Durchstosser erlaubt, da dieses Material meist dünner, weicher und besser aufschneidbar und durchstossbar ist.
Die Erfindung schafft des weiteren eine für das Verfahren erforderliche Sonotrode gemäss Anspruch 9, die zur Durchführung des erfindungsgemassen Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 8 geeignet ist.
An sich sind verschiedenste Ausführungsformen von Sonotroden bekannt, die eine nicht vollständig ebene Anlageflächen aufweisen. So zeigt die DE 10 2009 017 248-A eine Sonotrode als Blocksonotrode, die zum darauf Aufspannen von Werkstücken dient und eine Vielzahl von Hohlräumen aufweist. Die Blocksonotrode dient zur Anwendung in der Metallbearbeitung oder Keramikbearbeitung insbesondere zum Schleifen.
Zur Erzeugung von Schweissnahten zeigt bereits die GB-A 1167549 eine Vorrichtung mit profiliertem Ambossrad und einer glattflächigen Rollensonotrode. Die DE 10 2009 024 258-A hingegen schlägt zur Erstellung von besonders dünnen Schweissnahten ein Ultraschall-Werkzeug vor, dass auf der Arbeitsfläche eine Reihe von nebeneinander angeordneten Erhebungen aufweist. Solche Lösungen bergen aber immer die Gefahr der Perforation der Folien im Schweissnahtbereich und eine entsprechende Anwendung bei der Befestigung von Öffnungs- und Schliessvorrichtungen auf Schlauchbeutel kommt somit nicht in Frage.
Eine erfindungsgemässe Sonotrode weist an ihrer Anlagefläche eingeformte Kavitäten af. Diese können so bemessen sein, dass die kavitätenfreie Fläche zur Fläche, welche die Öffnungen der Kavitäten bilden, in einem Verhältnis zwischen 1:2 und 2:1 liegt.
Bevorzugterweise besitzen die Kavitäten gesamthaft ein Volumen, welches zwischen 20% und 35% des Volumens jenes Flanschenteiles entspricht, der von der Sonotrode während des Schweissens abgedeckt wird.
Weitere vorteilhafte Verfahrensschritte gehen aus den weiteren abhängigen Verfahrensansprüchen hervor und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Sonotrode ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, die auf die Sonotrode gerichtet sind.
In der nachfolgenden Beschreibung wird das erfindungsgemässe Verfahren sowie die zur Ausübung des erfindungsgemässen Verfahrens ebenfalls erfindungsgemässe Sonotrode erläutert, mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen. Es zeigt:
1 eine bisherige Lösung bei der die Öffnungs- und Schliessvorrichtung mit dem Befestigungsflansch auf einen Folienflicken aufgeschweisst ist, wobei ein vertikaler Diametralschnitt durch die Öffnungs- und Schliessvorrichtung, angebracht auf einen Folienflicken, gezeigt ist.
2 zeigt eine Version bei dem mittels dem erfindungsgemässen Verfahren eine Verbindung des Befestigungsflansches mit der Folie eines Schlauchbeutels erstellt worden ist, wiederum in einem diametralen Vertikalschnitt und
3 zeigt eine gleiche Darstellung, wobei hier die Folie des Schlauchbeutels keine gestanzte Öffnung mehr aufweist.
4 stellt eine Ansicht von oben auf einer, gemäss dem Verfahren aufgeschweisste, auf eine Folie des Schlauchbeutels Öffnungs- und Schliessvorrichtung.
5 zeigt ein Balkendiagramm zur Verdeutlichung der verbesserten Schweissverbindung, während schliesslich
6 einen schematischen Schnitt durch den Befestigungsflansch einer nach dem Verfahren aufgeschweissten Öffnungs- und Schleissvorrichtung im Bereich der Schweissung zeigt. In
7 ist ein Teilschnitt durch eine erfindungsgemässe Sonotrode in vereinfachter Form dargestellt und
8 zeigt einen Viertelschnitt durch die Sonotrode mit Blick auf dessen Anlageflache.
In der 1 ist ein typisches Beispiel einer Öffnungs- und Schliessvorrichtung angebracht auf einen Schlauchbeutel dargestellt. Vom Schlauchbeutel 1 ist lediglich ein Teil seiner Folie dargestellt. Die Folie selbst aus der der Schlauchbeutel 1 hergestellt ist, ist mit 2 bezeichnet. In dieser Folie 2, nachfolgend auch Schlauchbeutelfolie 2 genannt, ist ein Loch 3 gestanzt. Die Folie 2 des Schlauchbeutels 1 hat eine Innenfläche 4 und eine Aussenfläche 5. Auf der Innenfläche 4 der Folie 2 ist ein Folienflicken 6 aufgeschweisst. Die Schweissung des Folienflickens 6 auf die Schlauchbeutelfolie 2 erfolgt üblicherweise durch eine thermische Verschweissung. Hierbei entsteht eine umlaufende kreisförmige Schweissverbindung 7. Auf den Folienflicken 6 wird schliesslich eine Öffnung- und Schliessvorrichtung 10 mittels Ultraschall aufgeschweisst. Die Öffnungs- und Schliessvorrichtung weist immer einen Ausgussteil 11 auf, der unten einen endständigen Flansch 12 besitzt. Der Durchmesser des Flansches 12 ist geringfugig kleiner als der Durchmesser des Loches 3 in der Schlauchbeutelfolie 2. Der Ausgussteil 11 besitzt ein Aussengewinde, auf die eine Schraubkappe 14 auf- und abschraubbar gehalten ist. Die Schraubkappe 14 besitzt eine Mantelwand 15 und eine Deckfläche 18. An der Mantelwand 15 ist ein Innengewinde 16 angeformt. Zur Sicherung der Schraubkappe 14 ist fluchtend am unteren Ende der Mantelwand 15 über Sollbruchstellen ein Garantieband 17 angeordnet.
Vorteilhafterweise jedoch nicht zwingend ist der Ausgussteil 11 mit einem Innengewinde 19 versehen. In diesem Innengewinde läuft ein hier, ebenfalls im Schnitt dargestellter Durchstosser 20, der ein Aussengewinde 21 besitzt, welches im Innengewinde 19 des Ausgussteiles 11 läuft. Der Durchstosser 20 lässt sich mittels Mitnehmern 22 bewegen. Die Mitnehmer 22 sind an der Innenseite der Deckfläche 18 angeformt. An der unteren Seite besitzt der Durchstosser 20 ein oder mehrere speziell gestaltete Schneidzähne 23. Beim erstmaligen Aufschrauben der Schraubkappe 14 bewegt sich diese nach oben, wobei das Garantieband 17 abgetrennt wird und gleichzeitig lauft der Durchstosser 20 nach unten und schneidet mit seinen Schneidzähnen 23 den Folienflicken 6 auf.
Üblicherweise wird für die Schlauchbeutelfolie 2 ein Material aus HDPE (High-density polyethylene) verwendet. Dieses Material hat eine hohe Festigkeit ebenso wie eine geringe Gasdurchlässigkeit. Dem gegenuber wird die Öffnungs- und Schliessvorrichtung 10 bevorzugterweise aus Polypropylen (PP) gefertigt. Prinzipiell liesse sich die Öffnungs- und Schliessvorrichtung 10 direkt auf die Schlauchbeutelfolie 2 mittels Ultraschall aufschweissen. Allerdings ist die Haftung bei dieser Materialpaarung mit den heute üblichen Schweissverfahren meist ungenügend. Zum zweiten, und dies ist ein noch triftigerer Grund, sind die bisher bekannten Durchstosser 20 trotz der Festigkeit des Polypropylens kaum in der Lage eine solche Folie aus HDPE zuverlässig aufzuschneiden. Insbesondere wenn die Schlauchbeutelfolie eine höhere Dicke aufweist, wie dies für die Schlauchbeutel 1 üblich ist, ist sie oft kaum durchtrennbar ohne dass dabei die Schneidzähne 23 Schaden nehmen. Aus diesem Grund stanzt man das bereits erwähnte Loch 3 und verschliesst dieses mit einem Folienflicken 6, der dann aus einem Folienmaterial aus low-dencity Polyethylene (LDPE) besteht. Auf diese Weise lasst sich der Folienflicken 6 problemlos aufschneiden. Zudem kann man für den Flicken 6 eine dünnere Folie verwenden und zur Verbesserung der Verbindung des Flansches 12 mit dem Folienflicken 6 weist der Flansch 12 auf seiner Unterseite ein oder mehrere konzentrisch verlaufende Energieleitwulste 24 auf, die beim Ultraschallschweissen schmelzen und so die Schweissverbindung bilden. Die hierbei entstehende Schweissverbindung besteht dann aus ein oder mehrere kreisförmige Schweissflächen, die geringfügig breiter sind als die Breite der Energieleitwulste 24 vor deren Schmelzung. Um diese Verbreiterung beziehungsweise die Haftung zu verbessern, wird beim Ultraschallschweissen der Öffnungs- und Schliessvorrichtung 10 auf den Folienflicken 6 unter diesen ein Amboss angelegt, dessen Fläche eine feine Struktur aufweist. Bevorzugterweise ist ein solcher Amboss mit einer gitterförmigen Struktur versehen. Hierdurch wird das Zerfliessen der Energieleitwulste 24 verbessert. Diese strukturierten Ambosse sind jedoch nicht handelsüblich und müssen für diesen Zweck speziell gefertigt werden.
In den 2 und 3 sind nun Öffnungs- und Schliessvorrichtungen 10 auf Schlauchbeutelfolien 2 aufgeschweisst dargstellt, wobei dies gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren erfolgt. Die hier dargestellten Lösungen wären prinzipiell mit den bisherigen Verfahren denkbar, doch wäre die Haftung der Öffnungs- und Schliessvorrichtung 10 auf der Schlauchbeutelfolie 2 in den meisten Fällen ungenügend.
In der Lösung gemäss der 2 ist wiederum im Schlauchbeutel 1 in dessen Schlauchbeutelfolie 2 ein Loch gestanzt, dass hier mit 3' bezeichnet ist. Der Durchmesser dieses Loches 3' entspricht nicht mehr dem Aussendurchmesser des Flansches 12 sondern ist nur noch geringfügig grösser als der Innendurchmesser dieses Flansches 12. Entsprechend kann nun ein kleinerer Folienflicken 6' aufgeschweisst werden. Diese Schweissung kann wie bisher thermisch erfolgen. Auch dieser Folienflicken 6' wird bevorzugterweise aus einem LDPE-Material gefertigt. Denn auch bei dieser Lösung schneidet der Durchstosser 20 mit seinen Schneidzähnen 23 diesen Folienflicken 6'.
Im Gegensatz zur bisherigen Lösung liegt nun der Flansch 12 auf der Schlauchbeutelfolie 2 direkt auf. Auf das eigentliche Schweissverfahren wird später noch eingegangen.
Bei dieser Lösung wäre es selbstverständlich auch denkbar auf den Folienflicken 6' zu verzichten und die Öffnungs- und Schliessvorrichtung 10 als einfachen Verschluss zu gestalten, der den Ausgussteil 11 umfasst und die Schraubkappe 14. In einer solchen Lösung, die dann allerdings nicht für aseptische Verpackungen geeignet ist, wäre in einem solchen Fall kein Durchstosser 20 erforderlich und die Schraubkappe 14 würde keine Mitnehmer 22 bedingen.
Die optimalste Lösung zeigt die 3. Hier wird darauf verzichtet in die Schlauchbeutelfolie 2 des Schlauchbeutels 1 ein Loch zu stanzen und die Öffnungs- und Schliessvorrichtung 10 ist direkt auf die Schlauchbeutelfolie 2 geschweisst. In diesem Falle benötigt man selbstverstandlich wiederum einen Durchstosser 20 mit entsprechenden Schneidzähnen 23. Die hier dargestellte Ausführungsform der Schneidzähne 23 ist eine mögliche Lösung mittels der erste Versuche bereits erfolgversprechende Resultate zeigen. Eine solche Losung ist mit Abstand die preiswerteste Variante und eine optimale Lösung bezüglich Festigkeit und Dichtigkeit. Dank dem erfindungsgemässen, nachfolgend noch zu beschreibenden Schweissverfahren wird auch eine optimale Verbindung zwischen Schlauchbeutelfolie 2 und dem Flansch 12 der Öffnungs- und Schliessvorrichtung 10 erzielt.
In der 4 ist ein nach dem erfindungsgemässen Verfahren mittels Ultraschall aufgeschweisste Öffnungs- und Schliessvorrichtung 10 in perspektivischer Ansicht leicht schräg von oben dargestellt. Die Öffnungs- und Schliessvorrichtung 10 ist im geschlossenen Zustand gezeigt, wie er mit seinem endständigen Befestigungsflansch 12 und aufgeschraubten Deckel 14 auf die Schlauchbeutelfolie 2 eines Schlauchbeutels 1 aufgeschweisst ist. In dieser Ansicht ist daher praktisch nur die Schraubkappe 14 mit seiner Deckfläche 18 und der Mantelwand 15 sowie der über die Schraubkappe 14 hinausragende Teil des Flansches 12 des Ausgussteiles 11 erkennbar. Dieser Flansch 12 ist nun auf der Schlauchbeutelfolie 2 aufgeschweisst. Signifikant sind dabei die auf der Flanschoberfläche ersichtlichen noppenartigen Erhohungen 30. Diese noppenartigen Erhöhungen 30 sind vor der Durchführung des Schweissvorganges nicht vorhanden. Erst während des Schweissvorganges werden diese noppenartigen Erhöhungen 30 gebildet. Erfindungsgemäss wird dies durch ein Verfahren realisiert, bei dem wahrend der Herstellung des Schlauchbeutels 1 die Schlauchbeutelfolie 2 beim Vorschub angehalten wird und dann die montierte Öffnungs- und Schliessvorrichtung 10 an die gewünschte Stelle auf diese angehaltene Schlauchbeutelfolie 2 positioniert wird. Über die montierte Öffnungs- und Schliessvorrichtung 10 wird nun eine Sonotrode 40 gestülpt, die in vereinfachter Form in der 7 dargestellt ist. Die Sonotrode 40 weist einen Aufnahmeraum 41 auf. Dieser Aufnahmeraum 41 wird von einer zylindrischen Wand 42 umgeben und ist hoher als die montierte Öffnungs- und Schliessvorrichtung 10. Die endständige Stirnflache dieser zylindrischen Wand 41 bildet eine ringförmige Andruckfläche 43. In der zylindrischen Wand 42 sind Kavitäten 44 eingeformt. Die Kavitäten 44 münden mit Öffnungen 45 in die ringförmige Andruckfläche 43. Die Form der Kavitäten 44 und deren Öffnungen 45 definieren die Form und Grosse der noppenartigen Erhöhungen 30.
Bei der nun folgenden Verschweissung mittels der Sonotrode 40 liegt die Sonotrode 40 mit einem üblichen Druck auf dem Befestigungsflansch 12 der Öffnungs- und Schliessvorrichtung 10 auf. Während des Schweissvorganges wird der Kunststoff dieses Flansches so stark erwärmt, dass der Kunststoff fliessfähig wird und unter dem herrschenden Druck in die Kavitäten 44 eindringt. Entsprechend reduziert sich die Dicke des Flansches 12 um eine gewisse Höhe Δh. Dieses verdrängte Volumen entspricht dem Volumen der Summe aller Kavitäten 44. Je nach der Grösse der Öffnungen 45 müssen die Kavitäten 44 mehr oder weniger tief ausgeformt sein. Entsprechend werden dann eben auch die noppenartigen Erhöhungen 30 mehr oder weniger hoch. Da die Dicke des Flansches um das Mass Δh sich reduziert, muss die Sonotrode 40 um das gleiche Mass Δh vorgeschoben werden. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Feder realisiert werden. Sobald die Kavitaten 44 vollständig gefüllt sind wird man die Sonotrode 40 entfernen und den Vorschub der Schlauchbeutelfolie 2 fortsetzen.
Bevorzugterweise wird die Grösse der Kavitäten 44 so ausgelegt, dass die Dicke des Befestigungsflansches 12 im Bereich in dem die Sonotrode 40 mit seiner ringförmigen Andruckfläche auf dem Befestigungsflansch 12 anliegt um ca. 15% bis 50% reduziert wird. Bevorzugterweise liegt jedoch diese Dickereduktion bei 20% bis 35%. Bei diesen Annahmen und abhängig davon wie gross die Öffnungen 45 sind, nimmt entsprechend die Dicke des Befestigungsflansches 12 im Bereich der Kavitäten 44 um ca. 20% bis 100% zu. Diese Angaben berechnen sich immer von der Ausgangsdicke H des Flansches 12, wie dies in der 6 ersichtlich ist.
Das hier oben beschriebene Verfahren entspricht der Herstellungsmethode zur Erzielung einer Lösung gemäss der 3. Will man jedoch eine Lösung wie in der 2 dargestellt und weiter oben beschrieben erzielen, so wird man vorgängig in einem vorgeschalteten Schritt erst das Loch 3' in die Schlauchbeutelfolie 2 stanzen, und dann den Folienflicken 6' thermisch aufschweissen bevor man dann das Verfahren wie zuvor in Hinblick auf die Lösung nach 3 beschrieben, anschliessen lässt. Wie bereits erwähnt kann aber auch ein Schlauchbeutel 1 vorgesehen sein, der für nicht aseptische Abfüllung dient und in diesem Falle entfällt das thermische Aufschweissen des Folienflickens 6'.
Bezüglich der Wahl der Materialien geht man dabei, wie bereits weiter oben erwähnt, vor, indem man die Schlauchbeutelfolie 2 aus einem HDPE wählt und für die Öffnungs- und Schliessvorrichtung 10 ein Polypropylen (PP) wählt. Falls ein Folienflicken 6' angebracht werden soll, so wird man diesen bevorzugterweise aus LDPE Kunststoff wählen.
Dieser Kunststoff ist für die thermische Schweissung mit einer Folie aus HDPE besser geeignet als eine Folie aus HDPE und zudem lässt sich eine Folie aus LDPE mit der hier üblicherweise zu verwendenden Öffnungs- und Schliessvorrichtung 10 mit einem Durchstosser 20 besser öffnen als bei einem HDPE-Material.
Um die üblichen Schweisszeiten von deutlich unter einer Sekunde auch bei diesem Verfahren realisieren zu können, sollte der endständige Befestigungsflansch 12 eine Dicke zwischen 0,3 und 0,8 mm aufweisen. Gemass den durchgeführten Versuchen liegt eine optimale Dicke im Bereich zwischen 0,3 und 0,5 mm. Auch dickere Befestigungsflansche 12 lassen sich mit dem gleichen Verfahren ebenfalls Schweissen, dabei erhöht sich jedoch die entsprechende Schweisszeit, was für eine hohe Taktgeschwindigkeit in der Produktion jedoch weniger geeignet ist.
Wie zuvor beschreiben führt das neue Verfahren dazu, dass der eigentliche endständige Flansch 12 der Öffnungs- und Schliessvorrichtung um Δh dünner wird, da Material in die Kavitäten fliesst. Zwar wird der Flansch im Bereich der Erhöhungen 30 verdickt, trotzdem bewirkt diese Lösung den Effekt, dass der Schlauchbeutel im Schweissbereich beziehungsweise im Verbindungsbereich des Flansches mit dem Schlauchbeutel 1 wesentlich flexibler ist als bei bisherigen Verfahren. Dadurch wird die Gefahr einer Scherbewegung zwischen Flansch und Schlauchbeutelfolie stark reduziert und die Verletzungsgefahr des Schlauchbeutels stark reduziert.
Besonders interessant ist jedoch, dass bei diesem Verfahren die am Flansch sonst üblichen Energieleitmittel unnötig sind. Dies führt zu einer Vereinfachung der Spritzgussform und komplexe Auslegungen bezüglich die sonst anzubringenden Energieleitwulste 24 erübrigen sich. Das Verfahren wird folglich bevorzugterweise mit einer Öffnungs- und Schliessvorrichtung 10 durchgeführt dessen Befestigungsflansch 12 an der zu schweissenden Fläche vollig plan ist.
Es ist wünschenswert, dass sich der Flansch durchgehend möglichst stark erweicht und somit das Material eine Schweissverbindung eingeht und hierzu ist es sinnvoll den flächigen Anteil der Noppen relativ gross zu wählen um so einerseits ein genügendes Fliessverhalten zu realisieren und andererseits trotz eines möglichst durchgehenden Erweichens des Flansches nicht zu grosse Stromungswege zu erhalten. Daher wählt man das Verhältnis der kavitätenfreien Fläche (F_kf) zur Fläche, welche die Summe der Öffnungen der Kavitäten bildet (F_ko) bilden in einem Verhältnis von 1:2 bis 2:1.
Letztlich ist es sinnvoll, den Amboss der mit der erfindungsgemässen Sonotrode 40 zusammenwirkt als plane Anlagefläche zu gestalten.
Letztlich wird noch auf die 5 verweisen, die ein Balkendiagramm zeigt zur Verdeutlichung der verbesserten Schweissverbindung. Der linke Balken zeigt die Reissfestigkeit bei einer herkömmlichen Schweissverbindung bei der die Sonotrode an der Anlagefläche keine Kavitäten aufweist und der Befestigungsflansch der Öffnungs- und Schliessvorrichtung dafür Energieleitwulste besitzt ähnlich der Lösung bei 1 jedoch bei einer Schweissverbindung bei der der Befestigungsflansch auf der Schlauchbeutelfolie aufgeschweisst wird. Die Materialpaarung besteht hier aus einem Befestigungsflansch aus Polypropylen und einer Schlauchbeutelfolie aus high-density Polyethylene. Der mittlere Balken zeigt bei gleicher Materialpaarung eine Lösung wie in der 3 dargestellt, wobei die Sonotrode erfindungsgemäss mit den erwähnten Kavitäten versehen ist. Während bei der ersten Lösung die Reissfestigkeit rund 100 Newton beträgt, beträgt die Reissfestigkeit bei der erfindungsgemässen Lösung rund 190 Newton. Der dritte Balken ganz rechts veranschaulicht eine Lösung bei der lediglich bezüglich der Schlauchbeutelfolie ein wesentlich elastischeres high-density Polyethylene verwendet worden ist. Bei der erfindungsgemässen Lösung ergibt sich somit bei identischen Materialpaarungen praktisch eine doppelt so hohe Reissfestigkeit gegenüber der herkömmlichen Schweissmethode.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009017248 A [0013]
GB 1167549 A [0014]
DE 102009024258 A [0014]

Claims

Verfahren zum Anbringen einer Öffnungs- und Schliessvorrichtung (10) mit einem Ausgussteil (11) aus Kunststoff mit einem endständigen Befestigungsflansch (12) mit aufschraubbarem Deckel (14) und gegebenenfalls einem Durchstosser (20) zur Öffnung eines Schlauchbeutels (1) auf den die Öffnungs- und Schliessvorrichtung (10) mit dem Befestigungsflansch (12) mittels Ultraschallschweissung anzubringen ist, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a) Anhalten einer zur Bildung des Schlauchbeutels (1) vorgeschobenen Folie (2) aus Kunststoff; b) Zuführung der montierten Öffnungs- und Schliessvorrichtung (10) und Positionierung auf der gewünschten Stelle auf der angehaltenen Schlauchbeutelfolie (2); c) Anlegen einer Sonotrode (40) mit ringförmiger in der Andruckfläche (42) vorhandenen Kavitaten (44) auf den Befestigungsflansch (12); d) Durchführung der Schweissung bis der angeschmolzene Kunststoff des Befestigungsflansches (12) die Kavitäten (44) füllt unter Vorschub der Sonotrode (40) in Druckbeaufschlagungsrichtung und Reduzierung der Dicke des Befestigungsflansches (12) auf dem sich noppenartige Erhöhungen (30) bilden; e) Entfernung der Sonotrode (44) und weiterer Vorschub der Schlauchbeutelfolie (2).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Befestigungsflansches (12) im Bereich in dem die Sonotrode (40) aufzuliegen kommt um 15% bis 50%, bevorzugterweise um 20% bis 35%, reduziert wird, während die Dicke des Befestigungsflansches im Bereich der Kavitäten (44) um 20% bis 100% der ursprünglichen Dicke des Befestigungsflansches (12) zunimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vorgängig zum Schritt a) in die Folie des Schlauchbeutels (2) ein Loch gestanzt wird, dessen Durchmesser dem Innendurchmesser des Flansches entspricht.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Loch mittels eines Folienflickens (6') von der auf die Innenseite des Schlauchbeutels (1) zu liegenden Seite auf die Folie des Schlauchbeutels (2) mittels Schweissen dichtend verschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Folie des Schlauchbeutels (2) eine Folie aus HDPE und für die Öffnungs- und Schliessvorrichtung (10) Polypropylen gewählt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Folienflicken (6) aus einem LDPE Material gewählt wird und thermoplastisch auf die Folie des Schlauchbeutels (2) aufgeschweisst wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Öffnungs- und Schliessvorrichtung (10) wählt, mit einem Ausguss (11) mit endständigem Befestigungsflansch (12), dessen Dicke zwischen 0,3 und 0,8 mm, bevorzugterweise jedoch zwischen 0,3 und 0,5 mm, beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Öffnungs- und Schliessvorrichtung (10) wählt, dessen Flansch, an der auf den Schlauchbeutel (1) durch Ultraschall zu schweissenden Fläche, frei von Energie-Leitmittel ist und eine plane Flache bildet.
Sonotrode (40) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Anlagefläche der Sonotrode (40) Kavitäten (44) eingeformt sind, die so bemessen sind, dass die kavitätenfreie Fläche (F_kf) zur Fläche, welche die Summe der Öffnungen (45) der Kavitäten (44) (F_ko) bilden in einem Verhältnis von F_kf:F_ko zwischen 1:2 und 2:1 liegt.
Sonotrode (40) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavitäten (44) gesamthaft ein Volumen aufweisen, welches zwischen 20% und 35% des Volumens des Flanschteiles entspricht, der von der Sonotrode (40) während des Schweissens abgedeckt wird.
Sonotrode (40) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dessen mit ihr zusammenwirkender Amboss eine plane Anlagefläche aufweist.