DE102013225743A1

DE102013225743A1 - Utraschallfügeverfahren und Ultraschallfügevorrichtung

Info

Publication number: DE102013225743A1
Application number: DE102013225743.0A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Wieduwilt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Syntegon Technology GmbH
Priority date: 2013-12-12
Filing date: 2013-12-12
Publication date: 2015-06-18
Also published as: US20150165718A1; CN104708805B; CN104708805A; US9399330B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschallfügeverfahren zum Verbinden von Papiermaterial (5), insbesondere Papier, Karton oder Pappe, umfassend die folgenden Schritte: Einbringen des Papiermaterials (5) in einen Spalt (4) zwischen einer Sonotrode (2) und einem Amboss (3), Versetzen der Sonotrode (2) in eine Ultraschallschwingung zum Ultraschallschweißen des Papiermaterials (5), wobei das Papiermaterial (5), vorzugsweise an Innenseiten von Fügestellen, vor und/oder während dem Ultraschallschweißen mit demineralisiertem Wasser (9) befeuchtet wird.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ultraschallfügeverfahren und eine Ultraschallfügevorrichtung zum Verbinden von Papiermaterial, insbesondere Papier, Karton oder Pappe.
WO03/043807 zeigt eine Vorrichtung zum Verbinden einer mehrlagigen Materialbahn mittels Ultraschall. Dabei erfolgt eine großflächige und kontinuierliche Verbindung einzelner Lagen der Materialbahn. Beispielsweise wird dabei Wellpappe hergestellt.
In EP 0 340 334 A2 wird eine Vorrichtung beschrieben, die sich zum Verbinden von zwei- oder mehrlagigen Papiererzeugnissen mittels Ultraschall eignet. Das verwendete Papier ist dabei mit einer thermoplastischen Beschichtung versehen. Mittels der Sonotrode werden dabei Longitudinalwellen erzeugt, so dass sich die Sonotrode bei der Ultraschallschwingung auf den Amboss zu und wieder von dem Amboss wegbewegt. Durch die entsprechende Ultraschallfrequenz und den entsprechenden Anpressdruck wird hier eine ausreichende Verdichtung der Papierlagen erzeugt. Gleichzeitig kommt es zu einer hohen Wärmeentwicklung im Mikrobereich der thermoplastischen Beschichtung und somit zum Verkleben der Papierlagen.
Beiliegende 7 zeigt in schematisch vereinfachter Ansicht eine Ultraschallfügevorrichtung 100 nach dem Stand der Technik zum Verbinden von thermoplastisch beschichtetem Papiermaterial. Die Vorrichtung 100 umfasst eine Sonotrode 102 nach dem Stand der Technik und einen Amboss 103 nach dem Stand der Technik. Zwischen der Sonotrode 102 und dem Amboss 103 befindet sich das zu fügende Papiermaterial 5. Das Papiermaterial 5 wird in dem Spalt zwischen Sonotrode 102 und Amboss 103 mit einer Fügekraft 106 beaufschlagt. Die Sonotrode 102 führt eine Ultraschallschwingung mit einer Schwingungsrichtung 107 aus. In der Vorrichtung 100 nach dem Stand der Technik sind die Schwingungsrichtung 107 und die Richtung der Fügekraft 106 parallel zueinander ausgerichtet. Es wird hier also die longitudinale Bewegungsrichtung der Sonotrode 102 für den Fügeprozess genutzt.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird zum Ultraschallfügen von Papiermaterial demineralisiertes Wasser zum Befeuchten der Fügestellen verwendet. Der entscheidende Vorteil bei der Verwendung von demineralisiertem Wasser, im Gegensatz zu herkömmlichem Wasser, liegt in der deutlich verringerten Oberflächenspannung des Befeuchtungsmittels. Dies führt dazu, dass sich die Fügestellen besser und gleichmäßiger benetzen lassen und dass Wasser schneller eindringen kann. Dies stellt insbesondere bei zeitlich kritischen Verarbeitungsprozessen einen entscheidenden Vorteil dar. Diese Vorteile werden erreicht durch ein erfindungsgemäßes Ultraschallfügeverfahren zum Verbinden von Papiermaterial, insbesondere Papier, Karton oder Pappe, umfassend die folgenden Schritte: (i) Einbringen des Papiermaterials in einen Spalt zwischen einer Sonotrode und einem Amboss. (ii) Versetzen der Sonotrode in eine Ultraschallschwingung zum Ultraschallschweißen des Papiermaterials. Dabei wird das Papiermaterial, vorzugsweise an Innenseiten von Fügestellen, vor und/oder während dem Ultraschallschweißen mit demineralisiertem Wasser befeuchtet. Es wird angenommen, dass durch das Ultraschallschweißen an den Fügestellen die Papierstruktur leicht zerstört wird und sich so ein lokaler Papierbrei bildet. Dieser Papierbrei ermöglicht infolge der Einwirkung des Ultraschalls und des Drucks durch die Fügekraft eine Verfilzung und somit eine Art Verleimung der Papierfasern, analog zur Papierherstellung. Eine Art Verdichtung der Fügeflächen führt zur Ausbildung von Wasserstoffbrücken. Dies wird vielmals auch als Verfilzung beschrieben. Die lokale Ausbildung von Wasserstoffbrücken kann durch das Befeuchten aktiv unterstützt werden. Durch die Befeuchtung mit demineralisiertem Wasser wird die Glasübergangstemperatur der Papierpolymere stark herabgesetzt und so Verbrennungserscheinungen an der Fügestelle verhindert. Die Feuchtigkeit im Faserverbund erhöht die Dämpfungseigenschaft, wodurch die Wirkung des Ultraschalls erhöht wird.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Papiermaterial mit Wasserdampf befeuchtet wird. Durch das Erhitzen von Wasser entsteht demineralisierter Wasserdampf. Dieser wird hier bevorzugt zum Befeuchten des Papiermaterials verwendet. Dadurch wird sichergestellt, dass die Oberflächenspannung des Feuchtmittels deutlich geringer ist als die des Papiermaterials, um so eine gute Benutzung gewährleisten zu können. Der Wasserdampf hat im Gegensatz zum flüssigen Wasser ein höheres Energieniveau und eine geringere Oberflächenspannung. Die Oberflächenspannung von Wasser liegt normalerweise bei ca. 73mN/m bei 20°C, wohingegen Wasserdampf mit 80° nur noch eine Oberflächenspannung von ca. 63mN/m aufweist. Die Oberflächenspannung ist die Ursache für das Verhalten von Flüssigkeiten, energetisch günstige, kugelähnliche Tropfen mit möglichst geringer Oberfläche zu bilden. Dies hat zur Folge, dass die Verteilung der Feuchtigkeit bei Verwendung von Wasserdampf deutlich feiner und homogener abläuft, als beispielsweise beim Auftragen mit einem Schwamm oder ähnlichen Hilfsmitteln.
So ist des Weiteren bevorzugt vorgesehen, dass für das Verfahren Wasserdampf mit einer Temperatur von zumindest 80°C verwendet wird.
Wenn für das Ultraschallfügeverfahren flüssiges Wasser anstatt Wasserdampf verwendet wird, so ist bevorzugt vorgesehen, dass dieses Wasser beim Befeuchten des Papiermaterials zumindest eine Temperatur von 50°C aufweist.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass zum Befeuchten Wasser mit einer Leitfähigkeit von maximal 100 µS/cm (Mikro-Siemens pro cm), vorzugsweise max. 50 µS/cm, besonders vorzugsweise max. 20µS/cm, verwendet wird. Die Leitfähigkeit gibt den Grad der Demineralisierung des Wassers an. Je stärker das Wasser demineralisiert ist, desto geringer ist die Leitfähigkeit und desto besser eignet sich das Wasser zum Benetzen der Fügestellen.
Bevorzugt erfolgt ein Ultraschallreibschweißen zum Verbinden des Papiermaterials. Die von der Sonotrode erzeugte Ultraschallschwingung weist hierzu eine bestimmte Schwingungsrichtung auf. Gleichzeitig mit dem Aufbringen der Ultraschallschwingung über die Sonotrode wird das Papiermaterial im Spalt zwischen der Sonotrode und dem gegenüberliegenden Amboss mit einer Fügekraft beaufschlagt. Diese Fügekraft ist in einer Fügekraftrichtung ausgerichtet. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Schwingungsrichtung und die Fügekraftrichtung nicht parallel zueinander ausgerichtet sind. Im Stand der Technik ist stets die Schwingungsrichtung der Sonotrode parallel zur Fügekraftrichtung ausgebildet. Dadurch werden im Stand der Technik hauptsächlich die longitudinale Bewegungsrichtung der schwingenden Teilchen für die Energieerzeugung in der Fügenaht genutzt. Dabei wird die Wärmeenergie aus Innermolekularer- und Grenzflächenreibung der Fügepartner erzeugt. Die Wärmeenergie der Grenzflächenreibung wird dabei aus der Verformungsenergie der Deformation des Fügematerials über die Ambossgeometrie gewonnen. Dem gegenüber wurde im Rahmen der Erfindung erkannt, dass ein sehr viel besseres Fügen von Papiermaterial möglich ist, wenn ein Reibschweißverfahren eingesetzt wird, bei dem in erster Linie die Grenzflächenreibung genutzt wird. Vorzugsweise ist also vorgesehen, dass ein Ultraschallreibschweißen durchgeführt wird, das dadurch definiert ist, dass die Fügekraftrichtung zur Schwingungsrichtung der Ultraschallschwingung nicht parallel ist.
Das Ultraschallreibschweißen weist gegenüber herkömmlichen Ultraschallfügeverfahren, bei denen die Fügekraftrichtung parallel zur Schwingungsrichtung der Sonotrode ausgerichtet ist, diverse Vorteile auf: Beim Ultraschallreibschweißen können Materialien mit geringer Schalldämpfung verwendet werden, was insbesondere bei Papiermaterial der Fall ist. Infolge der Reibbewegung der gefügten Papiermaterialien ist keine Lärmemission, wie durch die hämmernden Bewegungen der Sonotrode bei longitudinalen Ultraschallschweißverfahren, feststellbar. Die Scher- und Schälfestigkeit der Fügeverbindung ist beim erfindungsgemäßen Verfahren deutlich höher als bei Fügeverbindungen, die mit üblichen Ultraschallfügeverfahren erzeugt wurden. Ein weiterer entscheidender Vorteil bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass für den Energieeintrag in das Papiermaterial die gesamte Schwingung, und nicht nur die Amplitude, die in Richtung der Fügestelle wirkt, genutzt wird. Infolge der Vermeidung einer hämmernden Bewegung auf das zu fügende Papiermaterial, wird dieses Papiermaterial beim Durchführen des erfindungsgemäßen Ultraschallfügeverfahrens geschont.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Fügekraftrichtung zur Schwingungsrichtung senkrecht bzw. rechtwinklig steht. Abweichungen von ±10° werden hier noch als senkrecht angesehen. Durch diese Ausrichtung wird sichergestellt, dass die Amplituden der schwingenden Sonotrode in beiden Richtungen weitestgehend auf das Papiermaterial wirken. Gleichzeitig sorgt die senkrechte Ausrichtung der Fügekraftrichtung zur Schwingungsrichtung für eine annähernd ausschließliche Nutzung der Grenzflächenreibung an den Fügestellen.
Die Ultraschallschwingungsfrequenz der Sonotrode liegt vorzugsweise bei 10 bis 80 kHz, besonders vorzugsweise zwischen 20 und 70 kHz. Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die Ultraschallschwingungsamplitude der Sonotrode vorzugsweise zwischen 10 und 50 µm, besonders vorzugsweise zwischen 20 und 40 µm, liegt. Insbesondere bei diesen Parametern für die Ultraschallschwingung entsteht eine für das Fügen des Papiermaterials günstige Grenzflächenreibung an den Fügestellen.
Das erfindungsgemäße Verfahren führt zu sehr stabilen Fügestellen, so dass bevorzugt auf die Verwendung von Klebstoff oder thermoplastischen Beschichtungen verzichtet wird. Des Weiteren ist es auch nicht notwendig, dass sich an den Fügestellen Druckerfarbe auf dem Papiermaterial befindet, die ähnlich einer thermoplastischen Beschichtung ein Verkleben der Papiermaterialien begünstigen würde.
Die Erfindung umfasst des Weiteren ein Verfahren zum Herstellen einer Verpackung aus Papiermaterial, insbesondere Papier, Karton oder Pappe. Bei diesem Verfahren zum Herstellen der Verpackung wird das Ultraschallfügeverfahren, wie es soeben beschreiben wurde, verwendet. Die im Rahmen des Ultraschallfügeverfahrens vorgestellten Unteransprüche und vorteilhaften Ausbildungen finden entsprechend vorteilhafte Anwendung auf das Verfahren zum Herstellen der Verpackung.
Insbesondere in der Verpackungsindustrie kommen zahlreiche Arten von Klebeverbindungen von Kartonagen mit Hilfe von Dispersionsklebstoffen (Kaltleim) und Schmelzklebstoffen (Heißleim) zum Einsatz. Um den Verpackungsprozess zu rationalisieren, sauberer und hygienischer zu gestalten, kann das Verfahren gemäß vorliegender Erfindung eingesetzt werden. Durch die kurzen Zyklen im Bereich von 0,1 bis 1 Sekunde und Haltezeiten von 0,1 bis 2 Sekunden ist das erfindungsgemäße Ultraschallfügeverfahren besonders für den Einsatz in der Serienproduktion für hohe Stückzahlen geeignet. Gegenüber dem Klebeverfahren hat das erfindungsgemäße Ultraschallfügeverfahren die folgenden Vorteile: Es wird erfindungsgemäß kein Fügematerial benötigt, so dass Heiß- bzw. Kaltleim substituiert werden kann. Das Papiermaterial benötigt für den Fügevorgang mittels Ultraschall keine zusätzliche thermoplastische Beschichtung. Herkömmliche Klebemaschinen neigen stark zum Verschmutzen. Da beim erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt keine Zusatzstoffe verwendet werden, mit Ausnahme der Anwendung von Wasser zur Befeuchtung, kann eine Verringerung der Verschmutzung und somit das Einhalten der hygienischen Standards, die für die Lebensmittel- und Pharmaindustrie von hoher Bedeutung sind, erzielt werden. Daraus ergibt sich auch, dass beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht die Gefahr einer Migration von Fügemittel (Leim) in das Packgut besteht. Des Weiteren ergibt sich eine hohe Energieeinsparung, da kein kontinuierliches Aufheizen des Heißleims notwendig ist. Die für das Ultraschallfügeverfahren notwendige Energie wird nur im Bereich der Fügezeit, also im Millisekundenbereich, benötigt.
Die Erfindung umfasst des Weiteren eine Ultraschallfügevorrichtung zum Verbinden von Papiermaterial, insbesondere Papier, Karton oder Pappe. Die Ultraschallfügevorrichtung umfasst eine in Ultraschallschwingung versetzbare Sonotrode, und einen Amboss. In einem Spalt zwischen der Sonotrode und dem Amboss ist durch die Ultraschallschwingung der Sonotrode das Papiermaterial ultraschallschweißbar. Des Weiteren ist eine Befeuchtungsvorrichtung zum Befeuchten des Papiermaterials vorgesehen. Diese Befeuchtungsvorrichtung arbeitet mit demineralisiertem Wasser und bringt dies vorzugsweise an Innenseiten von Fügestellen auf. Die Befeuchtung erfolgt vor und/oder während dem Ultraschallschweißen.
Die im Rahmen des erfindungsgemäßen Ultraschallfügeverfahrens vorgestellten Unteransprüche und vorteilhaften Ausbildungen finden entsprechend vorteilhafte Anwendung auf die erfindungsgemäße Ultraschallfügevorrichtung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Dabei zeigen:
1 eine schematisch vereinfachte Darstellung einer erfindungsgemäßen Ultraschallfügevorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ultraschallfügeverfahrens gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 eine Detailansicht zu 1;
3 eine schematisch vereinfachte Darstellung einer Befeuchtungsvorrichtung der erfindungsgemäßen Ultraschallfügevorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
4 eine Gegenüberstellung eines herkömmlichen Ultraschallfügeverfahrens mit dem erfindungsgemäßen Ultraschallfügeverfahren;
5 ein Diagramm zur Zugfestigkeit der erzeugten Fügestelle,
6 eine schematisch vereinfachte Darstellung der erfindungsgemäßen Ultraschallfügevorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ultraschallfügeverfahrens gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; und
7 eine Ultraschallfügevorrichtung gemäß dem Stand der Technik.
Ausführungsform der Erfindung
1 zeigt in stark schematisch vereinfachter Ansicht eine Ultraschallfügevorrichtung 1 nach dem ersten Ausführungsbeispiel. Mit dieser Ultraschallfügevorrichtung 1 kann das erfindungsgemäße Ultraschallfügeverfahren durchgeführt werden.
Die Ultraschallfügevorrichtung 1 umfasst eine Sonotrode 2 und einen Amboss 3. Zwischen der Sonotrode 2 und dem Amboss 3 ist ein Spalt 4 ausgebildet. In diesem Spalt 4 befindet sich das zu fügende Papiermaterial 5. Gezeigt sind zwei Fügepartner, die innerhalb des Spaltes 4 überlappen. Diese beiden Fügepartner werden mittels der Ultraschallfügevorrichtung 1 miteinander verbunden.
Über den Amboss 3 wirkt eine Fügekraft auf das Papiermaterial 5 im Spalt 4. Diese Fügekraft ist in einer Fügekraftrichtung 6 ausgerichtet.
Die Sonotrode 2 wird zur Durchführung einer Ultraschallschwingung in Schwingungsrichtung 7 angeregt. Diese Schwingungsrichtung 7 entspricht der Ausdehnungsrichtung der Amplituden der Ultraschallschwingung.
Wie 1 gut zu entnehmen ist, steht die Fügekraftrichtung 6 senkrecht auf (auch: rechtwinklig zu) der Schwingungsrichtung 7. Somit handelt es sich hier um ein Ultraschallreibschweißverfahren.
2 zeigt eine Detailansicht zu 1, ebenfalls schematisch vereinfacht. Gemäß 2 wird der Amboss 3 über eine Zylinderstange 8 beaufschlagt, so dass der Amboss 3 die Fügekraft auf das Papiermaterial 5 im Spalt 4 ausüben kann. Dementsprechend ist auch die Zylinderstange 8 parallel zur Fügekraftrichtung 6 angeordnet.
Des Weiteren zeigt 2 schematisch stark vereinfacht die Möglichkeit, das Papiermaterial 5 mit Wasser 9 zu befeuchten. Wie bereits beschrieben, begünstigt dieses Befeuchten den Fügeprozess.
3 zeigt einen Zuschnitt 19 aus Papiermaterial 5. Aus diesem Zuschnitt 19 kann in einer entsprechenden Verpackungsmaschine eine Verpackung, beispielsweise eine Schachtel, geformt werden. In solch einer Verpackungsmaschine ist beispielsweise die Ultraschallfügevorrichtung 1 integriert, so dass in der Verpackungsmaschine das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann.
Der Zuschnitt 19 weist mehrere Laschen 20 auf. Beim Falten des Zuschnittes 19 überlappen jeweils zwei der Laschen 20 und bilden somit die Fügestellen. Vor und/oder während dem Ultraschallreibschweißen werden die Laschen 20 mittels der dargestellten Befeuchtungsvorrichtung 18 befeuchtet. Die Befeuchtungsvorrichtung 18 trägt entweder in flüssiger oder dampfförmiger Form demineralisiertes Wasser auf die Fügestellen auf.
Die Darstellung in 3 ist rein schematisch zu verstehen. 4 zeigt auf der linken Seite das Prinzip des herkömmlichen longitudinalen Ultraschallschweißens, wie es beispielsweise mit der Vorrichtung 100 nach dem Stand der Technik in 7 durchgeführt werden kann. Die Amplitude der Ultraschallschwingung ist zur Verdeutlichung des Funktionsprinzips nicht maßstäblich dargestellt. Die Amplitude beträgt beispielsweise zwischen 20 und 40 µm. Auf der rechten Seite in 4 ist das Prinzip der bevorzugten Ultraschallfügevorrichtung 1 dargestellt. Man erkennt in dieser Darstellung, dass im Stand der Technik nur die untere, positive Amplitude in Richtung des Papiermaterials 5 eine Wirkung entfalten kann. Bei dem bevorzugten Prinzip des Ultraschallreibschweißens dagegen erfolgt, wie in den 1 und 2 gezeigt, eine seitliche Anpressung des Papiermaterials 5 an die Sonotrode. Infolgedessen können beide Amplitudenrichtungen, also die Ausdehnung in der positiven Amplitudenrichtung und das Zusammen- oder Zurückziehen in der negativen Amplitudenrichtung, effektiv für den Fügeprozess genutzt werden.
5 zeigt in einem Diagramm die Versuchsergebnisse, bei denen ein Karton mit 300 g/m² in einer Vorrichtung 100 nach dem Stand der Technik und mit einer erfindungsgemäßen Ultraschallfügevorrichtung 1 gemäß der Erfindung getestet wurde. Auf der horizontalen Achse ist die aufgebrachte Fügekraft in [N] eingezeichnet. Die vertikale Achse zeigt die erzeugte Zugfestigkeit in [N/15 mm] der Fügestelle. Ein oberer Verlauf 10 zeigt das Ergebnis des erfindungsgemäßen Ultraschallfügeverfahrens. Ein unterer Verlauf 101 zeigt das Ergebnis bei Verwendung der Vorrichtung 100 nach dem Stand der Technik.
Im Rahmen der Erfindung und in experimentellen Untersuchungen hat sich gezeigt, dass sich Papier, Karton und Pappe besser miteinander verbinden lassen, wenn, gemäß der Erfindung, ein Befeuchtung der Fügestellen mit demineralisiertem Wasser und vorzugsweise auch ein Ultraschallreibschweißen als Fügeverfahren verwendet wird. Im Gegensatz zum konventionellen Ultraschallschweißen ist dabei die Schwingungsrichtung 7 nicht parallel zur Fügekraftrichtung 6, sondern bevorzugt senkrecht (auch: rechtwinklig) dazu. Die Festigkeitswerte der Verbindung sind im Bezug auf die Scher- und Schälfestigkeit gegenüber den longitudinalen Ultraschallschweißverfahren deutlich erhöht. Zudem sind, wie 5 zeigt, auch im Bereich von niedrigen Fügekräften relativ hohe Zugfestigkeiten zu erreichen.
Aufgrund von durchgeführten Versuchen wird angenommen, dass für die Verbindung mit relativ hoher Zugfestigkeit nicht nur die Mikroverspleißung der Fasern und neue Wasserstoffbrücken ausschlaggebend sind. Die Ergebnisse sprechen für ein Plastifizieren und Erstarren von fasereigenen Polymeren, natürlichen oder synthetischen Bindemitteln sowie polymerartigen Additiven. Man kann davon ausgehen, dass sich während des Fügeprozesses auf den sich berührenden Oberflächen plastifizierte Bereiche befinden. Der herkömmliche longitudinale Ultraschallfügevorgang beansprucht die Fügepartner mit einer erhöhten Tiefenwirkung. Für eine Verbesserung der Verbindungsqualität ist es zielführender, die mechanische Beanspruchung parallel zur Fügeebene wirken zu lassen, wie dies im Rahmen vorliegender Erfindung gezeigt wurde. Ein weiterer wesentlicher Vorteil, der für die seitliche Anpressung der Sonotrode 2 an das Papiermaterial 5 spricht, ist die vollständige Nutzung der Sonotrodenschwingungen in beide Amplitudenrichtungen. Beim bevorzugten Ultraschallreibschweißen wird von der im Schwingungsgebilde erzeugten stehenden Welle sowohl die Expansions- als auch die Kontraktionsbewegung genutzt. Wird die Sonotrode beim herkömmlichen longitudinalen Ultraschallschweißen gegen die Fügepartner gepresst, wirkt sich nur die Expansion auf den Schweißvorgang aus, bei der Kontraktion verliert die Sonotrode 102 den Kontakt zum Papiermaterial 5. Somit kann bei dem bevorzugten Ultraschallfügeverfahren eine Verdopplung der wirksamen Amplitude erreicht werden, von beispielsweise 24 µm auf 48 µm bei 30 kHz.
6 zeigt in stark schematisch vereinfachter Ansicht eine Ultraschallfügevorrichtung 1 nach dem zweiten Ausführungsbeispiel. Mit dieser Ultraschallfügevorrichtung 1 kann das erfindungsgemäße Ultraschallfügeverfahren durchgeführt werden. Gleiche bzw. funktional gleiche Bauteile sind in beiden Ausführungsbeispielen mit denselben Bezugszeichen versehen.
Im zweiten Ausführungsbeispiel schwing die Sonotrode 2 horizontal und parallel zu den Fügeflächen. Die Schwingungsrichtung 7 ist folglich auch horizontal ausgerichtet. Die Fügekraftrichtung 6 ist vertikal ausgerichtet und somit rechtwinklig zur Schwingungsrichtung 7. Die Befeuchtungsvorrichtung 18 gemäß 3 wird hier ebenfalls verwendet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 03/043807 [0002]
EP 0340334 A2 [0003]

Claims

Ultraschallfügeverfahren zum Verbinden von Papiermaterial (5), insbesondere Papier, Karton oder Pappe, umfassend die folgenden Schritte: • Einbringen des Papiermaterials (5) in einen Spalt (4) zwischen einer Sonotrode (2) und einem Amboss (3), • Versetzen der Sonotrode (2) in eine Ultraschallschwingung zum Ultraschallschweißen des Papiermaterials (5), dadurch gekennzeichnet, dass das Papiermaterial (5), vorzugsweise an Innenseiten von Fügestellen, vor und/oder während dem Ultraschallschweißen mit demineralisiertem Wasser (9) befeuchtet wird.
Ultraschallfügeverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Papiermaterial (5) mit Wasserdampf befeuchtet wird.
Ultraschallfügeverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserdampf beim Befeuchten des Papiermaterial (5) zumindest eine Temperatur von 80°C aufweist.
Ultraschallfügeverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Papiermaterial (5) mit flüssigem Wasser (9) befeuchtet wird, wobei das Wasser beim Befeuchten des Papiermaterial (5) zumindest eine Temperatur von 50°C aufweist.
Ultraschallfügeverfahren nach einem der vorhergehende Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Befeuchten Wasser (9) mit einer Leitfähigkeit von maximal 100 µS/cm (Mikro-Siemens pro Zentimeter), vorzugsweise maximal 50 µS/cm, besonders vorzugsweise maximal 20µS/cm, verwendet wird.
Ultraschallfügeverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Beaufschlagen des Papiermaterials (5) im Spalt (4) mit einer Fügekraft in einer Fügekraftrichtung (6) erfolgt, wobei ein Ultraschallreibschweißen durchgeführt wird, bei dem die Fügekraftrichtung (6) zur Schwingungsrichtung (7) der Ultraschallschwingung nicht parallel ist.
Ultraschallfügeverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügekraftrichtung (6) zur Schwingungsrichtung (7), mit einer maximalen Abweichung von +/–10°, senkrecht steht.
Ultraschallfügeverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ultraschallfügen des Papiermaterials (5) kein Klebstoff, kein Thermoplast und vorzugsweise auch keine Druckfarbe, verwendet wird.
Verfahren zum Herstellen einer Verpackung aus Papiermaterial (5), insbesondere Papier, Karton oder Pappe, wobei ein Ultraschallfügeverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche verwendet wird.
Ultraschallfügevorrichtung (1) zum Verbinden von Papiermaterial (5), insbesondere Papier, Karton oder Pappe, umfassend • eine in Ultraschallschwingung versetzbare Sonotrode (2), und • einen Amboss (3), • wobei in einem Spalt (4) zwischen Sonotrode (2) und Amboss (3) durch die Ultraschallschwingung der Sonotrode (2) das Papiermaterial (5) ultraschallschweißbar ist, gekennzeichnet, durch eine Befeuchtungsvorrichtung (18) zum Befeuchten des Papiermaterials (5) mit demineralisiertem Wasser (9), vorzugsweise an Innenseiten von Fügestellen, vor und/oder während dem Ultraschallschweißen.