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Die Erfindung betrifft ein Ultraschallsystem zum Siegeln, Trennen, Zuschneiden, Perforieren und/oder Prägen einer Materialbahn. Sie betrifft ferner eine Verpackungsmaschine, insbesondere Schlauchbeutelmaschine, mit wenigstens einem solchen Ultraschallsystem sowie ein Verfahren zum Bearbeiten mittels Ultraschall.
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Ultraschallsysteme mit wenigstens einem eine Sonotrode und einen Konverter aufweisenden Schwinggebilde, einem den Konverter anregenden Ultraschallgenerator sowie einem der Sonotrode gegenüberliegenden Amboss sind als solche bereits bekannt. Dabei erzeugt der Ultraschallgenerator eine Wechselspannung, die vom Konverter in der Regel nach dem piezoelektrischen Wandlerprinzip in eine mechanische Schwingung umgewandelt wird. Über das angekoppelte Schwinggebilde wird diese mechanische Schwingung auf die zu bearbeitenden Materialien übertragen. Soll beispielsweise eine Verbindung hergestellt werden, wird das zu verbindende Material an den Kontaktflächen durch das Zusammenspiel der physikalischen Gegebenheiten zwischen Amboss und Sonotrode, d. h. insbesondere Schallreflexion, Schallabsorption und Grenzflächenreibung plastifiziert, wodurch die betreffenden Materialien, insbesondere Kunststoffe, Folien, Vliese, Gewebe/Textilien und/oder Papier, miteinander verschweißt werden. Voraussetzung für das Verschweißen ist ein geringer Mindestanteil eines thermoplastischen Kunststoffmaterials.
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In einer Schlauchbeutelmaschine wird die zugeführte, zu einem Schlauch geformte Materialbahn unter anderem mit Quersiegelnähten versehen und ein jeweiliger mit Füllgut beschickter, versiegelter Beutel von dem nachgeführten Schlauch getrennt. Dabei war es bisher allgemein üblich, die Siegelnähte durch beheizte, aufeinander zu und voneinander weg bewegbare Schweißklammern zu erzeugen und das Verschweißen und Trennen in getrennten Arbeitsschritten durchzuführen. Von Nachteil ist hierbei unter anderem die relativ geringe Taktgeschwindigkeit. Zudem besteht die Gefahr, dass sich durch in der jeweiligen Schweißnaht verbleibendes Füllgut bezüglich der Dichtigkeit der Schweißnaht Qualitätseinbußen ergeben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Ultraschallsystem, ein verbessertes Verfahren zum Bearbeiten mittels Ultraschall, sowie eine verbesserte Verpackungsmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, mit denen die zuvor erwähnten Probleme beseitigt und insbesondere höhere Taktgeschwindigkeiten möglich sind. Dabei soll vor allem auch eine kontinuierliche Zufuhr der Materialbahn möglich sein.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst und insbesondere durch ein Ultraschallsystem zum Siegeln, Trennen, Zuschneiden, Perforieren und/oder Prägen einer insbesondere kontinuierlich zugeführten, beispielsweise zu einem Schlauch geformten Materialbahn in einem Arbeitsspalt, der zyklisch zwischen einem rotierenden Amboss und wenigstens einer Sonotrode gebildet wird.
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Hierbei ist erfindungsgemäß eine Hubeinrichtung vorgesehen, mit der Sonotrode und/oder Amboss zyklisch aufeinander zu und voneinander wegbewegbar sind, insbesondere in einer Richtung quer zur Materialbahn. Zusätzlich ist eine Schwenkeinrichtung vorgesehen, mit der die Sonotrode während eines Zeitintervalls um die gleiche Rotationsachse wie der Amboss verschwenkbar ist, wobei hierbei insbesondere keine Relativbewegung, d. h. keine relative Drehbewegung und keine relative Translationsbewegung, zwischen Amboss und Sonotrode erfolgt.
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Mit dem erfindungsgemäßen Ultraschallsystem können einwandfreie Querschweißnähte bei hohen Taktzeiten erzielt werden, da durch die erfindungsgemäße Hub- und Schwenkeinrichtung, die auch zu einer gemeinsamen Antriebseinrichtung kombiniert sein kann, sichergestellt ist, dass während des Bearbeitungsvorgangs keinerlei Relativbewegung zwischen Amboss und Sonotrode stattfindet, obwohl diese entlang einer gekrümmten Bahn, bevorzugt einer Kreisbahn, bewegt werden.
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Die Hubeinrichtung kann als Linearantrieb ausgebildet sein und die Schwenkeinrichtung für die Sonotrode kann mit Hilfe eines Exzenters, einer Kurvenscheibe oder beliebigen anderen Mitteln dafür sorgen, dass die Sonotrode um die gleiche Rotationsachse wie der Amboss verschwenkt wird.
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Aufgrund der kombinierten Hub-/Schwenkbewegung ist eine hohe Taktgeschwindigkeit möglich, mit der der Arbeitsspalt zur entsprechenden Behandlung der Materialbahn geschlossen und anschließend wieder geöffnet wird. Dazu trägt auch der rotierende Amboss bei, mit dessen Rotation zumindest ein definierter Arbeitsbereich des Ambosses zum zyklischen Schließen und Öffnen des Arbeitsspalts wiederholt in einen der Sonotrode gegenüberliegenden Bereich verbracht und anschließend wieder aus diesem entfernt wird. Dazu muss der Amboss nicht mehr beschleunigt und abgebremst werden sondern er kann mit einer konstanten Umfangsgeschwindigkeit rotieren, die gleich der Geschwindigkeit der Materialbahn gewählt wird.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Beschreibung, der Zeichnung sowie den Unteransprüchen beschrieben.
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Nach einer ersten vorteilhaften Ausführungsform kann sich der zyklisch gebildete Arbeitsspalt allgemein quer zur Materialbahnzuführrichtung erstrecken. Damit können insbesondere Querschweiß- oder Quersiegelnähte erzeugt werden.
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Die Rotationsachse des Ambosses erstreckt sich zweckmäßigerweise parallel zum Arbeitsspalt. Insbesondere im Fall eines sich allgemein quer zur Materialbahnzuführrichtung erstreckenden Arbeitsspalts erstreckt sich also auch die Rotationsachse des Ambosses allgemein quer zur Materialbahnzuführrichtung.
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Es kann vorteilhaft sein, wenn die Sonotrode zum rotierenden Amboss hin und von diesem wegbewegbar ist und der Amboss ausschließlich eine Rotationsbewegung durchführt. Dabei kann bei diesem Vorgang bevorzugt eine rein translatorische Bewegung der Sonotrode erfolgen, wobei dieser Bewegung eine durch die Schwenkeinrichtung bewirkte Schwenkbewegung um die Drehachse vorausgehen, nachfolgen oder überlagert sein kann.
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Die lineare Bewegung der Sonotrode und die Rotationsbewegung des Ambosses zur zyklischen Bildung des Arbeitsspalts können entsprechend synchronisiert sein, wenn der Sonotrode und dem Amboss getrennte Antriebe zugeordnet sind. Bei einem gemeinsamen Antrieb kann die Synchronisation über mechanische Mittel erfolgen.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Hubeinrichtung und/oder die Schwenkeinrichtung einen Exzenter aufweisen, Mit Hilfe eines solchen Exzenters lässt sich einerseits eine lineare, d. h. translatorische Bewegung erzeugen. Andererseits kann mit Hilfe eines Exzenters eine um die Rotationsachse pendelnde Schwenkbewegung erzeugt werden, wobei die beiden Exzenter auf einfache Weise über ein Getriebe oder dergleichen miteinander so synchronisiert werden können, dass der gewünschte Bewegungsablauf erzielt wird, bei dem Amboss und Sonotrode um die gleiche Rotationsachse so verschwenkt werden, dass keine Relativbewegung zwischen Amboss und Sonotrode erfolgt.
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Grundsätzlich können Hubeinrichtung und Schwenkeinrichtung auf vielfältige Weise gebildet werden. Bei Vorsehen von separaten Einrichtungen kann eine elektrische oder elektronische Steuerung vorgesehen werden, mit der die entsprechenden Abläufe synchronisiert werden. Auch kann die Hubeinrichtung und/oder die Schwenkeinrichtung, Exzenter, Kurvenscheiben, Linearantriebe, Stellzylinder oder dergleichen aufweisen. Wenn die Hubeinrichtung und die Schwenkeinrichtung durch eine gemeinsame Antriebseinrichtung angetrieben werden, ist es nicht erforderlich, gesondert zu synchronisieren.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallsystems umfasst der rotierende Amboss wenigstens ein sich bezüglich dessen Rotationsachse insbesondere armartig allgemein radial nach außen erstreckendes Arbeitselement, wobei der Arbeitsspalt im Verlauf der Rotation des Ambosses jeweils zwischen dem radial äußeren Ende dieses Arbeitselements und der Sonotrode gebildet wird.
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Vorteilhafterweise kann der rotierende Amboss mehrere solcher insbesondere gleichmäßig über dessen Umfang verteilte Arbeitselemente umfassen. So können beispielsweise drei oder vier insbesondere gleichmäßig über den Umfang verteilte Arbeitselemente vorgesehen sein. Grundsätzlich ist jedoch eine beliebige andere Anzahl von Arbeitselementen denkbar. In Umfangsrichtung betrachtet sollte jedoch zwischen den verschiedenen Arbeitselementen jeweils ein Zwischenraum verbleiben. Insbesondere bei einem Einsatz des Ultraschallsystems in einer Schlauchbeutelmaschine gestattet es dieser Zwischenraum gegebenenfalls zusammen mit einem Zurückfahren der Sonotrode, dass ein bereits mit dem jeweiligen Füllgut befüllter Schlauch insbesondere kontinuierlich nachgeführt werden kann.
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Der rotierende Amboss kann also mit einem oder auch mit mehreren, insbesondere nach Art eines Sternrades über den Umfang verteilten insbesondere armartigen Arbeitselementen versehen sein.
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Das das radial äußere Ende eines jeweiligen Arbeitselements kann mit wenigstens einer, vorzugsweise wenigstens zwei sich parallel zum Arbeitsspalt erstreckenden Schweißkonturen oder -flächen versehen sein. Diese Schweißkonturen wirken mit der wenigstens einen Sonotrode zusammen, um beispielsweise eine jeweilige Schweiß- oder Siegelnaht zu erzeugen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallsystems kann das radial äußere Ende eines jeweiligen Arbeitselements mit wenigstens einer sich parallel zum Arbeitsspalt erstreckenden, vorzugsweise federbelasteten Trennkontur versehen sein. Dabei ist diese Trennkontur zweckmäßigerweise in Umfangsrichtung betrachtet zwischen zwei Schweißkonturen angeordnet.
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Durch die Trennkontur erfolgt in Zusammenwirken mit der wenigstens einen Sonotrode die Trennung eines jeweiligen Materialbahnabschnitts von der nachgeführten Materialbahn durch Trennschweißen. Ist die Trennkontur in Umfangsrichtung angrenzend an wenigstens eine Schweißkontur oder bevorzugt zwischen zwei solchen Schweißkonturen angeordnet, so kann das Schweißen und Trennen praktisch in einem Arbeitsschritt erfolgen. Ist die Trennkontur beispielsweise zwischen zwei Schweißkonturen vorgesehen, so können beispielsweise bei der Herstellung von Schlauchbeuteln praktisch in einem Arbeitsschritt das Ende eines vorangehenden Beutels und der Anfang eines nachfolgenden Beutels jeweils mit einer Quersiegelnaht versehen und die beiden Materialbahnabschnitte bzw. Beutel voneinander getrennt werden.
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Die Trennkontur ist bevorzugt zum Arbeitsspalt hin federbelastet, um zum Trennschweißen eine entsprechend höhere Schweißkraft zu erzielen. Dabei kann während der Bildung eines jeweiligen Arbeitsspalts der Abstand zwischen der vorzugsweise federbelasteten Trennkontur und der Sonotrode insbesondere kleiner sein als der Abstand zwischen der wenigstens einen Schweißkontur und der Sonotrode.
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Um ein unerwünschtes Aufprallen der Trennkontur auf die Sonotrode zu verhindern, kann die vorzugsweise federbelastete Trennkontur zumindest im Bereich des zu bildenden Arbeitsspalts insbesondere zur Sicherstellung eines minimalen Abstands zur Sonotrode entsprechend geführt sein. Dazu kann die Trennkontur beispielsweise an ihren beiden Enden mit Rollenlagern oder dergleichen versehen sein, die in einer Art Kulisse geführt sind. Damit kann die sich im Verlauf der Rotation ergebende Bewegung der Trennkontur auf die Sonotrode zu in der gewünschten Weise gedämpft werden.
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Die erfindungsgemäße Verpackungsmaschine, bei der es sich beispielsweise um eine Schlauchbeutelmaschine handeln kann, zeichnet sich dadurch aus, dass sie eine oder mehrere erfindungsgemäße Ultraschallsysteme umfasst.
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Die Verpackungsmaschine kann insbesondere der Herstellung von mit z. B. flüssigem, pastösem, pulvrigem, rieselfähigem oder festem Füllgut gefüllten Beuteln, Schlauchbeuteln, Standbeuteln, Flachbeuteln usw. dienen. Im Fall einer Schlauchbeutelmaschine kann es sich insbesondere um eine horizontale oder auch um eine vertikale Schlauchbeutelmaschine handeln. Es sind also verschiedene, insbesondere mit wenigstens einer allgemein quer zur Materialbahntransportrichtung verlaufenden Naht zu versiegelnde Beutelformate denkbar.
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Das Füllgut kann beispielsweise über ein Füllrohr zugeführt werden, um das der Schlauchkörper z. B. mittels einer Formschulter gebildet wird.
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Die jeweilige Verpackungsmaschine kann insbesondere auch eine oder mehrere Längsnahtschweißeinrichtungen umfassen.
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Durch die Verwendung eines Ultraschallsystems bleiben die Schweißwerkzeuge kalt. Beispielsweise im Fall einer Schlauchbeutelmaschine wird der mit Füllgut bestückte Schlauchbeutel somit zum Versiegeln und zum Trennen durch kalte Werkzeuge zusammengepresst. Das Versiegeln und Trennen wird durch die erzeugten Ultraschallschwingungen bewirkt. Das Füllgut wird also selbst nicht erwärmt. Zusätzlich wird Füllgut, das sich im Siegelbereich befindet, durch die Ultraschall-Schwingungen während des Siegelvorgangs getrennt. Auch bei durch Füllgut benetzten Nähten ist stets eine dichte Schweißnaht gewährleistet.
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Zudem sind mit dem erfindungsgemäßen Ultraschallsystem relativ schmale Siegelnähte herstellbar. Die Nahtbreiten sind beispielsweise durch modulare Sonotrodensysteme und/oder Ambosssysteme erweiterbar.
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Im Vergleich zum thermischen Siegeln ergibt sich durch das erfindungsgemäße Ultraschallsystem insbesondere auch angesichts des geringeren Folienverbrauchs an der Schweißnaht eine Kostenersparnis. Es sind konstante Siegelergebnisse und Siegelqualitäten sichergestellt.
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Die Taktgeschwindigkeit wird insbesondere auch dadurch erhöht, dass das Siegeln und Trennen in einem Arbeitsschritt erfolgen kann.
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Der durch das erfindungsgemäße Ultraschallsystem jeweils zu behandelnde Schlauch kann aus einer einteiligen oder auch aus einer mehrteiligen Materialbahn gebildet werden.
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Der zur Behandlung der Materialbahn zyklisch gebildete Arbeitsspalt des erfindungsgemäßen Ultraschallsystems, der sich insbesondere allgemein quer zur Materialbahnzuführrichtung erstrecken kann, kann zumindest im Wesentlichen geradlinig oder z. B. auch gekrümmt verlaufen.
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Dem rotierenden Amboss sowie der Sonotrode können getrennte Antriebe zugeordnet sein, wobei diese Antriebe jeweils einen Servomotor umfassen können.
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Mit dem erfindungsgemäßen Ultraschallsystem ist somit beispielsweise ein Trennschweißen von Schlauchbeuteln auf horizontalen oder vertikalen Schlauchbeutelmaschinen mit kontinuierlicher Zufuhr der zu einem Schlauch geformten Materialbahn möglich. Insbesondere angesichts des rotierenden Ambosses ist eine sehr hohe Taktgeschwindigkeit realisierbar, die von der Beutellänge abhängig ist. So sind in der Praxis beispielsweise zumindest 300 Takte/mm möglich. Durch Ultraschalltrennschweißen ist das Schweißen und Trennen der Schlauchbeutel über den rotierenden Trennschweißamboss in einem Arbeitsschritt durchführbar. Das Trennen erfolgt durch gezieltes Trennschweißen der beispielsweise durch eine Kunststofffolie gebildeten Materialbahn.
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Die erfindungsgemäße Verpackungsmaschine, insbesondere Schlauchbeutelmaschine, kann so ausgelegt sein, dass unterschiedliche Beutellängen, -breiten und/oder -höhen einstellbar sind.
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Mit dem erfindungsgemäß rotierenden Amboss werden die bisher an den Siegelwerkzeugen auftretenden hohen mechanischen Fliehkräfte eliminiert. In einer jeweiligen Verpackungsmaschine mit kontinuierlicher Materialbahn- oder Folienzufuhr soll sich der angetriebene, rotierende Amboss exakt mit der gleichen Geschwindigkeit bewegen, mit der der Materialbahn- bzw. Folienvorschub erfolgt. Zum Schließen des Arbeitsspalts bzw. Trennschweißspalts zwischen der Sonotrode und einem jeweiligen Arbeitselement des Ambosses wird bevorzugt auch die gegenüberliegende Sonotrode zum Amboss hin bewegt. Bei geschlossenem Arbeitsspalt kann dann während einer relativ kurzen Kontaktzeit zwischen Amboss und Sonotrode insbesondere eine jeweilige Schlauchbeutelquernaht trenngeschweißt werden, wobei keine Relativbewegung zwischen Amboss und Sonotrode vorhanden ist, die den Bearbeitungsvorgang negativ beeinflussen könnte. Dabei kann durch beispielsweise mittels einer federbelasteten Trennkontur gezielt erhöhten Schweißdruck der Schlauchbeutel zwischen zwei Dichtsiegelungen abgetrennt werden. Der rotierende Amboss läuft kontinuierlich weiter, und der Arbeitsspalt wird beispielsweise auch durch die wieder vom Amboss entfernte Sonotrode so weit geöffnet, dass der nächste befüllte Schlauchabschnitt zur Bildung des nächsten Schlauchbeutels zwischen den den rotierenden Amboss und die wenigstens eine Sonotrode umfassenden Schweißtrennwerkzeugen hindurch transportiert werden kann.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Bearbeiten einer Materialbahn mittels Ultraschall ist sichergestellt, dass aufgrund der über ein Zeitintervall stattfindenden gleichzeitigen Drehbewegung der Sonotrode um die gleiche Rotationsachse wie der Amboss keine Relativbewegung zwischen Amboss und Sonotrode stattfindet, so dass der Schweiß- und/oder Trennvorgang bei hohen Taktgeschwindigkeiten störungsfrei ablaufen kann.
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Es kann hierbei vorteilhaft sein, wenn der gewünschte Arbeitsspalt zwischen Amboss und Sonotrode erst bzw. nur dann gebildet wird, wenn die Umfangsgeschwindigkeit der um die Rotationsachse verschwenkten Sonotrode gleich der Umfangsgeschwindigkeit des um die Rotationsachse rotierenden Ambosses ist. Wenn der Amboss mit einer konstanten Umfangsgeschwindigkeit rotiert und die Sonotrode mittels einer Hin- und Herbewegung um die gleiche Rotationsachse verschwenkt wird, muss die Sonotrode bei Beginn des Bearbeitungsvorgangs zunächst auf die Umfangsgeschwindigkeit des Ambosses beschleunigt werden. Erst nachdem dieser Beschleunigungsvorgang beendet ist und die Sonotrode mit der gleichen Umfangsgeschwindigkeit wie der Amboss um den Drehpunkt bewegt wird, ist gewährleistet, dass keine Relativbewegung in Umfangsrichtung zwischen Sonotrode und Amboss stattfindet. Wenn erst dann oder nur dann die Sonotrode an den Amboss angestellt wird, können bestmögliche Bearbeitungsergebnisse erzielt werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigen:
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1 eine schematische Frontansicht einer hier beispielsweise vertikalen Schlauchbeutelmaschine mit einer beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallsystems;
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2 eine teilweise geschnittene schematische Seitenansicht der Schlauchbeutelmaschine von 1;
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3–8 stark schematisierte Ansichten ähnlich 2, wobei die synchronisierte Bewegung von Amboss und Sonotrode verdeutlicht ist.
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In den 1 und 2 ist in schematischer Darstellung als Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verpackungsmaschine eine vertikale Schlauchbeutelmaschine 10 wiedergegeben. Grundsätzlich ist jedoch auch eine horizontale Schlauchbeutelmaschine denkbar. Dabei umfasst diese Schlauchbeutelmaschine 10 als beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallsystems ein Ultraschallsystem 12 zum Siegeln und Trennen einer kontinuierlich zugeführten, zu einem Schlauch geformten Materialbahn 14 in einem die Materialbahn 14 entsprechend beaufschlagenden Arbeitsspalt 16, der zyklisch zwischen einem rotierenden Amboss 18 und wenigstens einer Sonotrode 20 gebildet wird.
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Die Schlauchbeutelmaschine 10 umfasst überdies einen Vorratsbehälter 22 für Füllgut 24, ein mit dem Vorratsbehälter 22 verbundenes, sich von diesem vertikal nach unten erstreckendes Füllrohr 26 sowie eine Formschulter 28 zur Formung eines Schlauchs aus der Materialbahn 14 um das Füllrohr. Dabei kann es sich bei der Materialbahn 14 insbesondere um eine Folienbahn handeln. Über eine nicht dargestellte Längsnahtsiegeleinrichtung wird eine Längsnaht 30 erzeugt, bevor die zu einem Schlauch geformte Materialbahn 14 dem Ultraschallsystem 12 zugeführt wird. Dabei wird die zu einem Schlauch geformte Materialbahn 14 dem Ultraschallsystem 12 kontinuierlich zugeführt, wozu eine nicht dargestellte Einrichtung zum kontinuierlichen Fördern des Schlauchs vorgesehen ist.
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Der Sonotrode 20 ist ein Konverter 32 zugeordnet, der von einem Ultraschallgenerator 34 angeregt wird.
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Der zyklisch gebildete Arbeitsspalt 16 erstreckt sich z. B. quer zur Materialbahnzuführrichtung Z. Die Rotationsachse 36 des Ambosses 18 verläuft parallel zum länglichen Arbeitsspalt 16, beim vorliegenden Ausführungsbeispiel also ebenfalls quer zur Materialbahnzuführrichtung Z.
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Die Sonotrode 20 ist, wie durch den Pfeil 38 angedeutet, horizontal translatorisch zum rotierenden Amboss 18 hin und von diesem weg bewegbar. Dabei können dem rotierenden Amboss 18 und der Sonotrode 20 insbesondere getrennte Antriebe zugeordnet sein. Die Bewegung der Sonotrode 20 und die Rotationsbewegung des Ambosses 18 sind zur zyklischen Bildung des Arbeitsspalts 16 entsprechend synchronisiert, was in Verbindung mit den 3–8 näher erläutert wird.
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Der rotierende Amboss 18 umfasst wenigstens ein, beim dargestellten Ausführungsbeispiel insgesamt vier sich bezüglich dessen Rotationsachse 36 insbesondere armartig allgemein radial nach außen erstreckende Arbeitselemente 40. Der Arbeitsspalt 16 wird im Verlauf der Rotation des Ambosses 18 jeweils zwischen dem radial äußeren Ende 40' des jeweiligen Arbeitselements 16 und der Sonotrode 20 gebildet. Bevorzugt umfasst der rotierende Amboss 18 mehrere solche insbesondere gleichmäßig über dessen Umfang verteilte Arbeitselemente 40. Dabei können diese Arbeitselemente 40 insbesondere so ausgeführt sein, dass sich eine Art Sternrad ergibt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist der rotierende Amboss 18 in Form eines Sternrades mit vier gleichmäßig über den Umfang verteilten Arbeitselementen 40 vorgesehen.
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Das radial äußere Ende 40' eines jeweiligen Arbeitselements 40 ist mit wenigstens einer sich parallel zum Arbeitsspalt 16 erstreckenden Schweißkontur versehen, wobei, wie dargestellt, vorzugsweise zwei sich parallel zum Arbeitsspalt 16, im vorliegenden Fall quer zur Materialbahnzuführrichtung Z erstreckende Schweißkonturen 42, 44 (vgl. 1) vorgesehen sind.
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Zudem kann das radial äußere Ende 40' eines jeweiligen Arbeitselements 40 mit wenigstens einer sich parallel zum Arbeitsspalt 16 erstreckenden Trennkontur 46 versehen sein. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine solche Trennkontur 46 in Umfangsrichtung U des rotierenden Ambosses 18 betrachtet zwischen zwei Schweißkonturen 42, 44 angeordnet.
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Die Trennkontur 46 kann radial nach außen federbelastet sein, wozu eine oder mehrere insbesondere im jeweiligen Arbeitselement 40 des rotierenden Ambosses 18 aufgenommene Federn (nicht dargestellt) vorgesehen sein können. Durch die Federbelastung der Trennkontur 46 kann gezielt ein erhöhter Schweißdruck zum Trennen der Schlauchbeutel beispielsweise zwischen den beiden über die Schweißkonturen 42, 44 erzeugten Dichtsiegelungen herbeigeführt werden. Zur Vermeidung eines zu harten Aufschlagens der Trennkontur 46 auf den Amboss 18 kann diese beispielsweise durch endseitige Rollenlager oder dergleichen über eine Kulisse so geführt werden, um deren Bewegung beim Annähern an die Sonotrode 20 zu dämpfen.
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Die 3 bis 8 zeigen stark vereinfachte Darstellungen des um die Rotationsachse 36 rotierenden Ambosses mit vier Arbeitselementen 40 sowie der Sonotrode 20. Hierbei entspricht die in den 3 bis 8 dargestellte Einrichtung grundsätzlich der in 2 nur schematisch angedeuteten Hub- und Schwenkeinrichtung 50.
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Wie 3 verdeutlicht, ist der Ambossstern mit den vier Arbeitselementen 40 auf einer Grundplatte 52 gelagert und dabei angetrieben, so dass er sich in Umfangsrichtung U um die Rotationsachse 36 dreht. Die Sonotrode 20 ist schwenkbar an einer Sonotrodenhalteplatte 54 gelagert, die wiederum über einen Hubexzenter 56 an die Grundplatte 52 angebunden ist, so dass die Sonotrodenhalteplatte 54 relativ zu der Grundplatte 52 in Richtung des Pfeils H und auch entgegen dieser Pfeilrichtung nach oben und nach unten bewegt werden kann. In der oberen Stellung des Hubexzenters 56 liegt die Sonotrode 20 auf dem Flugkreis des Ambosssterns. In dieser Stellung ist der Drehpunkt der Sonotrode 20 identisch mit der Rotationsachse 36 des Ambosssterns und somit bewegt sich die Sonotrode auf derselben Bahn wie das radial äußere Ende 40' jedes Arbeitselements 40, wenn die Sonotrodenhalteplatte ihre in den Figuren oberste Position eingenommen hat.
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Die hin- und hergehende Schwenkbewegung der Sonotrode 20 wird durch einen Schwenkexzenter 58 bewirkt, der im angegebenen Drehsinn entgegen der Uhrzeigerrichtung umläuft und der über einen Arm 60 mit der verschwenkbaren Sonotrode gelenkig verbunden ist. Das Verschwenken erfolgt dabei um eine Schwenkachse 66 (4), die mit der Rotationsachse 36 des Ambosssterns zusammenfällt, wenn die Sonotrodenhalteplatte durch den Hubexzenter 56 in ihre oberste Position gebracht worden ist.
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Grundsätzlich rotiert der Ambossstern mit einer solchen Geschwindigkeit, dass die Umfangsgeschwindigkeit der radial äußeren Enden 40' der Bahngeschwindigkeit der Materialbahn 26 (in den 3 bis 8 nicht dargestellt) entspricht. Bei dem in 3 dargestellten Zustand ist die Sonotrodenhalteplatte 54 zusammen mit der darauf befindlichen Sonotrode 20 durch den Hubexzenter 56 bereits etwas nach unten bewegt, so dass der Arbeitsspalt geöffnet wird. Durch den Schwenkexzenter 58 wird dabei die Sonotrode 20 nach rechts zurückgeschwenkt.
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4 zeigt den weiteren Verlauf der Bewegungen, wobei erkennbar ist, dass sich die Schwenkachse bzw. Rotationsachse 66 der Sonotrode 20 von der Rotationsachse 36 des Ambosssterns vertikal nach unten wegbewegt hat. Durch weiteres Verdrehen des Schwenkexzenters 58 gegen den Uhrzeigersinn wird die Sonotrode 20 um ihre Schwenkachse 66 weiter zurückgeschwenkt, während sich der Ambossstern im Uhrzeigersinn bzw. in Umfangsrichtung U weiterdreht.
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5 zeigt die Anordnung nach Ablauf einer weiteren Zeitspanne. Die Sonotrode 20 hat jetzt ihre (rechte) Schwenkendlage erreicht und wird von dort durch den Schwenkexzenter 58 nach links auf die Umfangsgeschwindigkeit des Ambosssterns beschleunigt. Die Sonotrode 20 ist zu diesem Zeitpunkt jedoch noch nicht vollständig, d. h. bis auf den Arbeitsspalt, an den zugehörigen Ambossarm angestellt.
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Erst wenn die Sonotrode 20 bezogen auf die Rotationsachse 36 bzw. die zu diesem Zeitpunkt koaxiale Schwenkachse 66 bezogene Umfangsgeschwindigkeit des äußeren Endes 40' des zugehörigen Arbeitselements 40 genauso groß ist wie die Winkelgeschwindigkeit der Sonotrode 20 um die Schwenkachse 66, wird die Sonotrode 20 vollständig an den Ambossstern angestellt, indem der Hubexzenter 56 kontinuierlich weiterbewegt wird. Zu diesem Zeitpunkt ist der Arbeitsspalt dann bis auf das gewünschte Spaltmaß geschlossen und der Schweißprozess kann beginnen. Dieser Zeitpunkt ist in 6 verdeutlicht.
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7 verdeutlicht den weiteren Verlauf, wobei die Sonotrode 20 vollständig an den Ambossstern angestellt ist und Sonotrode 20 und Amboss 18 sich gemeinsam und mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit, um die Rotationsachse 36 des Ambosssterns drehen, die zu diesem Zeitpunkt mit der Schwenkachse 66 der Sonotrode 20 zusammenfällt. Hierbei steht der Hubexzenter 56 in der obersten Stellung und er wird für die gewünschte Bearbeitungsdauer in dieser Stellung gehalten.
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8 zeigt einen Zeitpunkt, zu dem der Endschweißwinkel erreicht und der Bearbeitungsvorgang beendet ist. Über den Hubexzenter 46, der jetzt angetrieben wird, wird die Sonotrode 20 mittels einer Linearbewegung über die Sonotrodenhalteplatte 54 von dem Ambossstern getrennt, der sich kontinuierlich weiterbewegt. Hieraufhin beginnt ein neuer Bearbeitungszyklus.
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Bei dem Bearbeitungsvorgang wird mit dem Schliefen des Arbeitsspalts 16 die zu einem Schlauch verformte Materialbahn 14 wie in der 2 dargestellt, zusammengepresst. Bei geschlossenem Arbeitsspalt 16 kann dann in der kurzen Kontaktzeit zwischen dem jeweiligen Arbeitselement 40 des Ambosses 18 und der Sonotrode 20 insbesondere eine Schlauchbeutelquernaht trenngeschweißt werden. Herbei wird durch den aufgrund der federbelasteten Trennkontur 46 gezielt erhöhten Schweißdruck der Schlauchbeutel zwischen den beiden über die Schweißkonturen 42, 44 erhaltenen Dichtsiegelungen abgetrennt. Der rotierende Amboss 18 läuft kontinuierlich weiter und die Sonotrode 20 wird im Anschluss an den Trennschweißvorgang wieder von dem Amboss 18 weggeführt, so dass der Arbeitsspalt 16 so weit geöffnet wird, dass der darauf folgende gefüllte Schlauchbeutel zwischen den den Amboss 18 und die Sonotrode 20 umfassenden Schweißwerkzeugen bzw. Schweißtrennwerkzeugen hindurch transportiert werden kann. In den 1 und 2 ist unten jeweils ein bereits abgetrennter und dichtgesiegelter Schlauchbeutel 48 dargestellt. In der 2 ist überdies auch ein Schlauchbeutel 48' dargestellt, der am einen Ende bereits dichtgesiegelt ist, während sein anderes Ende sich noch in einem geschlossenen Arbeitsspalt 16 befindet, in dem ein Schweißtrennvorgang erfolgt, um die zweite Quersiegelnaht zu bilden und den Schlauchbeutel 48' vom kontinuierlich nachgeführten Schlauch zu trennen, wobei in dem Arbeitsspalt 16 auch bereits die erste Quersiegelnaht des darauffolgenden Schlauchbeutels erzeugt wird.
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Während in den Figuren beispielhaft eine vertikale Schlauchbeutelmaschine 10 dargestellt ist, kann das erfindungsgemäße Ultraschallsystem 12 insbesondere auch in einer horizontalen Schlauchbeutelmaschine eingesetzt werden, in der die zu einem Schlauch geformte Material- bzw. Folienbahn dem Ultraschallsystem insbesondere in vertikaler Richtung kontinuierlich zugeführt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Schlauchbeutelmaschine
- 12
- Ultraschallsystem
- 14
- Materialbahn
- 16
- Arbeitsspalt
- 18
- Amboss
- 20
- Sonotrode
- 22
- Vorratsbehälter
- 24
- Füllgut
- 26
- Füllrohr
- 28
- Formschulter
- 30
- Längsnaht
- 32
- Konverter
- 34
- Ultraschallgenerator
- 36
- Rotationsachse
- 38
- Pfeil
- 40
- Arbeitselement
- 40'
- radial äußeres Ende
- 42
- Schweißkontur
- 44
- Schweißkontur
- 46
- Trennkontur
- 48
- Schlauchbeutel
- 48'
- Schlauchbeutel
- 50
- Hub- und Schwenkeinrichtung
- 52
- Grundplatte
- 54
- Sonotrodenhalteplatte
- 56
- Hubexzenter
- 58
- Schwenkexzenter
- 60
- Arm
- 66
- Schwenkachse
- H
- Hubrichtung
- U
- Umfangsrichtung
- Z
- Materialbahnzuführrichtung
