DE102018117367A1 - Schweißkopf und Schweißvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schweißkopf (10) zum Befestigen eines Elements aus Kunststoffmaterial auf einer oder mehreren weichen Bahnen (2, 3) aus Kunststoffmaterial, aus welcher ein weicher Behälter (1) besteht, wobei der Kopf (10) einen Körper aus elektrisch und/oder thermisch leitendem Material mit einer Arbeitsfläche (15) umfasst, die dazu vorgesehen ist, beim Schweißvorgang gegen ein Element der zu verbindenden Einheit gepresst zu werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsfläche (15) eine Reihe von Kehlen oder von konkaven Ausformungen (16) aufweist, die in im Wesentlichen einheitlicher Weise auf der Oberfläche der Arbeitsfläche (15) verteilt sind.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet des Schweißens von Elementen aus Kunststoffmaterial zur Herstellung von mindestens zum Teil weichen oder flexiblen Behältern, wie insbesondere Schlauchbeuteln zum Lagern von flüssigen, halbflüssigen oder auch pulverförmigen Produkten. In einer bevorzugten, aber nicht ausschließlichen Anwendung bezieht sich die vorliegende Erfindung auf das technische Gebiet des Schweißens eines Halses aus Kunststoffmaterial auf eine oder mehrere, üblicherweise zwei, weiche Bahnen aus Kunststoffmaterial, aus welcher ein weicher Behälter oder ein Schlauchbeutel besteht.
  • Im oben genannten Gebiet ist es bekannt, die verschiedenen Elemente aus Kunststoffmaterial, aus denen ein weicher Behälter besteht, durch thermisches Schweißen, oder auch Hochfrequenz-Elektromagnet- oder Ultraschallschweißen zu verbinden.
  • Im Fall der Schlauchbeutel aus weichem Kunststoffmaterial ist es bekannt, einen Hals aus Kunststoffmaterial einzusetzen, der es einerseits ermöglicht, ein schnelles Befüllen des Schlauchbeutels auszuführen, und andererseits einen Hahn zum Zapfen des Inhalts des Schlauchbeutels anzubringen. Der Hals aus Kunststoffmaterial weist allgemein einen zylindrischen, rohrförmigen Schaft auf, der im Bereich seiner Basis einen ringförmigen Kragen umfasst („Flansch“), welcher ein Befestigen durch Schweißen auf eine weichen Bahn aus Kunststoffmaterial ermöglicht, die dazu vorgesehen ist, eine der Wände des Schlauchbeutels zu bilden. Das Schweißen des Halses wird allgemein vor dem Abschluss des vollständigen Bildens des Schlauchbeutels ausgeführt. Um diese Schweißung sicherzustellen wird ein Schweißkopf verwendet, der einen Körper mit einer glatten Arbeitsfläche umfasst, welche dazu vorgesehen ist, gegen eines der zwei zu verbindenden Elemente, und allgemeiner gegen die weiche Bahn aus Kunststoffmaterial in Auflage zu kommen. Für das Schweißen des Halses weißt der Schweißkopf eine im Wesentlichen rohrförmige Form mit einer ringförmigen Arbeitsoberfläche von im Wesentlichen gleicher Form wie derjenigen des Befestigungskragens des Halses auf. Die Vorrichtung zum Ausführen der Schweißung umfasst weiter einen Gegenkopf, der dazu vorgesehen ist, mit dem Schweißkopf zusammenzuwirken, um während des Schweißvorgangs die Verbindungszone zwischen dem Schweißkopf und -gegenkopf zu pressen. Während des Schweißvorgangs wird die Schweißzone thermisch oder durch elektromagnetische Hochfrequenz oder Ultraschall aktiviert, um ein Schmelzen der Fläche des Kragens am Kontakt mit der weichen Bahn zu bewirken und so eine widerstandsfähige und mindestens flüssigkeitsdichte Verbindung auszuführen. In gewissen Fällen fließt aufgrund des angewendeten Drucks ein Teil des geschmolzenen Kunststoffmaterials zur Außenseite der Verbindungszone und kann nach Abkühlen scharfe Grate bilden, die im Lauf der Herstellung des Schlauchbeutels, seiner Handhabung oder der verschiedenen Phasen seiner Verwendung die weiche Bahn durchstechen können. Dieses Risiko der Gratbildung impliziert somit, eine visuelle Kontrolle aller der Verbindungszonen der Hälse auf den weichen Bahnen durchzuführen, umdiejenigen weiche Bahn-/Hals-Einheiten, welche solche Grade aufweisen, aus der Produktionskette herausnehmen zu können. Ferner ist eine visuelle Kontrolle nicht für alle Kunststoffe möglich. Das größte Problem ist, dass ein Versagen der Verbindung beim Befüllen zu schwerwiegenden Verschüttungen beim Kunden führen kann, was wiederum zu Schadensansprüchen führen kann, welche die Materialkosten übersteigen.
  • Diese Kontrollvorgänge bewirken eine Verringerung des Arbeitstakts, wohingegen die Ausmusterung der nicht konformen Verbindungen einen Verlust an Rohstoffen und eine Senkung der Herstellungsrenditen bewirkt.
  • Somit ist der Bedarf aufgetreten, ein Mittel zu finden, welches es ermöglicht, die Risiken des Auftretens von Graten zu beseitigen, um die Produktionsrenditen steigern und die aus dem Schweißprozess herstammenden Mängel so weit als möglich verringern zu können. Um dieses Ziel zu erreichen betrifft die Erfindung einen Schweißkopf zum Befestigen eines Elements aus Kunststoffmaterial auf einer weichen Bahn aus Kunststoffmaterial, aus welcher ein weicher Behälter besteht, wobei der Kopf einen Körper aus elektrisch und/oder thermisch leitendem Material mit einer Arbeitsfläche umfasst, die dazu vorgesehen ist, beim Schweißvorgang gegen ein Element der zu verbindenden Einheit gepresst zu werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsfläche eine Reihe von Kehlen oder von konkaven Ausformungen umfasst, die in im Wesentlichen einheitlicher Weise auf der Oberfläche der Arbeitsfläche verteilt sind. Es wurde festgestellt, dass vorteilhafter- und überraschenderweise diese Texturierung der Arbeitsfläche es ermöglicht, das Fließen von Kunststoffmaterial aus der Schmelzzone heraus zu unterbinden, ohne die Qualitäten der ausgeführten Schweißung zu beeinträchtigen.
  • Einem Kennzeichen der Erfindung gemäß weisen die Kehlen oder die konkaven Ausformungen eine maximale Tiefe von größer als oder gleich der Dicke der Bahn aus Kunststoffmaterial auf.
  • Einem weiteren Kennzeichen der Erfindung gemäß weisen die Kehlen oder die konkaven Ausformungen eine maximale Tiefe auf, die der Materialstärke des Befestigungskragens entspricht.
  • Einem noch weiteren Kennzeichen der Erfindung gemäß weisen die konkaven Ausformungen eine Tetraederform auf.
  • Einem Kennzeichen der Erfindung gemäß ist der Körper des Schweißkopfes aus Metall, vorzugsweise aus Kupfer oder aus Legierung, welche Kupfer umfasst, und in noch stärker bevorzugter Weise aus Messing, oder aus einem Metall mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 230 W/(m K), insbesondere Aluminium, ausgeführt.
  • Einer Ausführungsform der Erfindung gemäß ist der Schweißkopf für das Schweißen eines Halses auf die Bahn aus Kunststoffmaterial angepasst, und weist die Arbeitsfläche eine in ihrer Mitte offene Ringform auf.
  • Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Schweißgerät, welches Mittel zum Erzeugen von Hitze in einer Schweißzone umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass es einen erfindungsgemäßen Schweißkopf umfasst, der mit den Hitzeerzeugungsmitteln verknüpft ist.
  • Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zum Verbinden, durch Schweißen, einer weichen Bahn aus Kunststoffmaterial, aus welcher eine Behälterwand besteht, mit weiteren Element aus Kunststoffmaterial, das darin besteht, die Bahn und das weitere Element im Bereich einer Verbindungszone zwischen einer heißen Arbeitsfläche eines Schweißkopfes und einer Auflagefläche eines Gegenkopfes unter Erhitzen mindestens der Verbindungszone auf eine Temperatur gegeneinander zu pressen, die ausreichend ist, um die Schweißung sicherzustellen, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens die Arbeitsfläche des Schweißkopfes eine Reihe von Kehlen oder von konkaven Ausformungen umfasst, die in im Wesentlichen einheitlicher Weise auf der Oberfläche der Arbeitsfläche verteilt sind, sodass während des Schweißvorgangs das Fließen von geschmolzenem Kunststoffmaterial aus der Verbindungszone heraus verhindert wird.
  • Einer Einsatzform des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß ist das weitere Element ein Hals, der einen ringförmigen Verbindungskragen umfasst, und dadurch, dass die Arbeitsfläche des Schweißkopfes eine Ringform aufweist, die im Wesentlichen mit derjenigen des Verbindungskragens des Halses identisch ist.
  • Die Erfindung betrifft weiter einen mindestens zum Teil weichen Behälter, der durch das Verbinden durch Schweißen von Elementen gebildet wird, welche mindestens eine weiche Bahn aus Kunststoffmaterial umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schweißzone ein im Wesentlichen regelmäßiges Muster aufweist, das aus dem Wechsel von konkaven und konvexen und/oder hellen und dunklen Regionen gebildet wird.
  • Einer Ausführungsform gemäß umfasst der Behälter einen Hals aus Kunststoffmaterial, der über einen ringförmigen Kragen an die weiche Bahn geschweißt ist, wobei die Schweißzone des Kragens auf der weichen Bahn ein im Wesentlichen regelmäßiges Muster aufweist, das aus dem Wechsel von konkaven und konvexen und/oder hellen und dunklen Regionen gebildet wird, und an der Außenseite der Schweißzone des Kragens an der weichen Bahn frei von Graten ist.
  • Einer bevorzugten, aber nicht ausschließlichen Ausführungsform der Erfindung gemäß stellt der Behälter einen weichen Schlauchbeutel zum Lagern von insbesondere flüssigen, halbflüssigen oder pulverförmig Produkten dar.
  • Selbstverständlich können die verschiedenen Kennzeichen, Varianten und Ausführungs- und Einsatzformen der Erfindung diversen Kombinationen gemäß miteinander verknüpft werden, sofern sie nicht inkompatibel sind oder einander ausschließen.
  • Darüber hinaus gehen diverse weitere Kennzeichen der Erfindung aus der angehängten Beschreibung hervor, die unter Bezugnahme auf die Zeichnungen vorgenommen ist, welche ein nicht einschränkendes Ausführungs- und Einsatzbeispiel der Erfindung veranschaulichen.
    • - Die 1 ist eine schematische Perspektive eines erfindungsgemäßen weichen Behälters, der einen Schlauchbeutel bildet,
    • - Die 2 ist eine schematische Explosionsansicht einer weichen Bahn, aus welcher der in der 1 veranschaulichte Behälter besteht, mit einem Hals,
    • - Die 3 ist eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung für das Schweißen eines Halses aus Kunststoffmaterial auf eine weiche Bahn aus Kunststoffmaterial,
    • - 4 ist eine perspektivische Ansicht eines Schweißkopfes gemäß der Erfindung,
    • - 5 ist eine Draufsicht des Schweißkopfes gemäß der 4,
    • - 6 und 7 zeigen eine mit dem erfindungsgemäßen Schweißkopf hergestellte dichte Schweißung und die helle und dunkle Zone in der Schweißzone.
  • Ein weicher Schlauchbeutel aus Kunststoffmaterial für die Lagerung diverser Produkte, wie in der 1 veranschaulicht und in seiner Einheit mit der Bezugsnummer 1 bezeichnet, wird allgemein durch das Verbinden von zwei weichen Bahnen 2, 3 aus Kunststoffmaterial gebildet, die an ihrem Umfang verschweißt werden. Der weiche Schlauchbeutel 1 umfasst ebenso einen Hals 4, der das Befüllen des Schlauchbeutels und das Einpassen eines Hahns zum Zapfen seines Inhalts ermöglicht. Dem veranschaulichten Beispiel gemäß wird der Hals 4 in dichter Weise an die obere Bahn 3, aus welcher der Schlauchbeutel 1 besteht, geschweißt.
  • Der Vorgang zum Verbinden des Halses 4 mit der Bahn 3 findet allgemein vor dem Verbinden der zwei Bahnen 2, 3 miteinander statt. Um diese Verbindung zu ermöglichen umfasst der Hals 4, der einen rohrförmigen Schaft von allgemein zylindrischer Form 5 aufweist, wie es die 2 zeigt an seiner Basis einen ringförmigen Verbindungskragen 6, dessen untere Fläche dazu vorgesehen ist, auf die weiche Bahn 3 geschweißt zu werden.
  • Um die Verbindung des Halses 4 und der Bahn 3 durchzuführen, wird eine Schweißvorrichtung D eingesetzt, die in schematischer Weise in der 3 dargestellt ist. Die Schweißvorrichtung umfasst einen Kopf 10 und einen Gegenkopf 11, die dafür angepasst sind, in Zusammenwirken miteinander den Kragen 6 und die Bahn 3 im Bereich einer Schweißzone 12 zu verpressen. Der Kopf 10 und der Gegenkopf 11 sind des Weiteren an Mittel M zum Erzeugen von Hitze in der Schweißzone, wie etwa elektrische Hochfrequenzgeneratoren oder Ultraschallgeneratoren angeschlossen. Die Hitzeerzeugungsmittel ermöglichen es, die Schweißzone 12 zu aktivieren, um ein Schmelzen von mindestens einer oberflächlichen Dicke des Kragens 6 zu bewirken und so eine dichte Schweißung des Halses 5 auf der Bahn 3 sicherzustellen. Die Vorrichtungen, die eingesetzt werden, um entweder eine thermische- oder eine Hochfrequenzschweißung oder eine Ultraschallschweißung sicherzustellen, sind dem Fachmann wohl bekannt und erfordern somit keine ausführlichere Beschreibung.
  • Wie es die 4 und 5 zeigen, umfasst der Schweißkopf 10 einen zylinderförmigen Hohlkörper 11, der aus elektrisch und/oder thermisch leitendem Material ausgeführt ist. Im vorliegenden Fall ist der Körper 11 aus elektrisch und thermisch leitendem Material hergestellt, nämlich einer Kupferlegierung wie etwa Messing oder Bronze.
  • Der Körper 11 weist eine in ihrer Mitte offene ringförmige Arbeitsfläche 15 auf, die entsprechend einem grundlegenden Kennzeichen der Erfindung eine Reihe von Kehlen oder von konkaven Ausformungen 16 umfasst, die in im Wesentlichen einheitlicher Weise auf der Oberfläche der Arbeitsfläche verteilt sind. Diese konkaven Ausformungen 16 weisen zum Beispiel im Wesentlichen die Form von Tetraedern auf, die aus einer Riffelung der Arbeitsoberfläche herstammen. Selbstverständlich könnten die konkaven Ausformungen anders ausgeführt werden und zum Beispiel ein im Wesentlichen regelmäßiges Gitter aus sich kreuzenden Rillen umfassen.
  • Die konkaven Ausformungen 16 weisen vorzugsweise, aber nicht ausschließlich eine maximale Tiefe von größer als oder gleich der Tiefe der weichen Bahn 3 auf. Dem veranschaulichten Beispiel gemäß weisen die konkaven Ausformungen eine maximale Tiefe im Bereich zwischen 0,5 mm und 1,5 mm auf.
  • Einmal auf die Schweißvorrichtung D angepasst wird der erfindungsgemäße Schweißkopf 10 dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechend in der folgenden Weise eingesetzt.
  • Die Bahn, oder Bahnen, 3 und der Hals 4 werden mittels des Kopfes 10 und des Gegenkopfes 11 im Bereich der Schweißzone gegeneinandergepresst, wobei die Hitzeerzeugungsmittel M aktiviert werden, um Hitze zu erzeugen, um das Schmelzen von mindestens der oberflächlichen Dicke des Schweißkragens am Kontakt der weichen Bahn 3 sicherzustellen.
  • Die konkaven Ausformungen der Arbeitsfläche des Schweißkopfes ermöglichen es vorteilhafterweise, das Fließen des schmelzenden Kunststoffmaterials in der Schweißzone zurückzuhalten, sodass sich weder ein Grat noch ein Überlauf von Kunststoffmaterial aus der Schweißzone heraus bildet.
  • Nach Abkühlen weist die Schweißzone, die auf der Seite der weichen Bahn erkennbar ist, eine Reihe von konvexen und konkaven Zone und, wenn die Bahn durchsichtig oder durchscheinend ist, einen Wechsel von hellen und dunklen Zonen auf.
  • Darüber hinaus wurde festgestellt, dass überraschender- und vorteilhafterweise der Einsatz eines Schweißkopfes mit einer texturierten Arbeitsfläche weder die mechanische Widerstandsfähigkeit der Schweißung noch die Dichtigkeit dieser letzteren beeinträchtigt, sodass die Qualität eines Behälters, der einen der Erfindung entsprechend geschweißten Hals umfasst, insbesondere durch die Tatsache der Gratfreiheit noch gestärkt wird. Weiterhin ist die Stabilität der Schweißung mit dem Schweißkopf nahezu unabhängig von der Schweißtemperatur, was es erlaubt, bei höheren Temperaturen und in kürzer Zeit zu schweißen, sodass die Produktionsleistung erhöht wird.
  • Gemäß dem zuvor beschriebenen Beispiel weist die Arbeitsfläche des Schweißkopfes eine Ringform auf. Eine solche Ausformung ist für die Ausführung eines erfindungsgemäßen Schweißkopfes jedoch nicht erforderlich. So könnte die Arbeitsfläche des Schweißkopfes insbesondere zur Ausführung der Umfangsschweißungen eines erfindungsgemäßen weichen Behälters insbesondere geradlinig sein.
  • Selbstverständlich können im Rahmen der angehängten Ansprüche diverse weitere Varianten der Erfindung erwogen werden.

Claims (12)

  1. Schweißkopf (10) zum Befestigen eines Elements aus Kunststoffmaterial auf einer oder mehreren weichen Bahnen (2, 3) aus Kunststoffmaterial, aus welcher ein weicher Behälter (1) besteht, wobei der Kopf (10) einen Körper aus elektrisch und/oder thermisch leitendem Material mit einer Arbeitsfläche (15) umfasst, die dazu vorgesehen ist, beim Schweißvorgang gegen ein Element der zu verbindenden Einheit gepresst zu werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsfläche (15) eine Reihe von Kehlen oder von konkaven Ausformungen (16) aufweist, die in im Wesentlichen einheitlicher Weise auf der Oberfläche der Arbeitsfläche (15) verteilt sind.
  2. Schweißkopf (10) nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kehlen oder die konkaven Ausformungen (16) eine maximale Tiefe von größer als oder gleich der Dicke der Bahn (2, 3) aus Kunststoffmaterial aufweisen.
  3. Schweißkopf (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kehlen oder die konkaven Ausformungen (16) eine maximale Tiefe aufweisen, die der Materialstärke des Befestigungskragens entspricht, insbesondere zwischen 0,5 mm und 1,5 mm.
  4. Schweißkopf (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die konkaven Ausformungen (16) eine Tetraederform aufweisen.
  5. Schweißkopf (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper aus Metall, vorzugsweise aus Kupfer oder aus Legierung, welche Kupfer umfasst, und in noch stärker bevorzugter Weise aus Messing ausgeführt ist.
  6. Schweißkopf (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er für das Schweißen eines Halses (4) auf die Bahn (2, 3) aus Kunststoffmaterial angepasst ist und dadurch, dass die Arbeitsfläche (15) eine in ihrer Mitte offene Ringform aufweist.
  7. Schweißvorrichtung (D), die Mittel zum Erzeugen von Hitze im Bereich einer Schweißzone (12) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Schweißkopf (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche umfasst, der mit den Hitzeerzeugungsmitteln verknüpft ist, um im Bereich oder in der Nähe der Arbeitsfläche (15) des Schweißkopfes (10) Hitze zu erzeugen.
  8. Verfahren zum Verbinden, durch Schweißen, einer weichen Bahn (2, 3) aus Kunststoffmaterial, aus welcher eine Behälterwand besteht, mit weiteren Element aus Kunststoffmaterial, das darin besteht, die Bahn (2, 3) und das weitere Element im Bereich einer Verbindungszone zwischen einer heißen Arbeitsfläche (15) eines Schweißkopfes (10) und einer Auflagefläche eines Gegenkopfes (11) unter Erhitzen mindestens der Verbindungszone auf eine Temperatur gegeneinander zu pressen, die ausreichend ist, um die Schweißung sicherzustellen, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens die Arbeitsfläche (15) des Schweißkopfes (10) eine Reihe von Kehlen oder von konkaven Ausformungen (16) aufweist, die in im Wesentlichen einheitlicher Weise auf der Oberfläche der Arbeitsfläche (15) verteilt sind, sodass während des Schweißvorgangs das Fließen von geschmolzenem Kunststoffmaterial aus der Verbindungszone heraus verhindert wird.
  9. Verbindungsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Element ein Hals (4) ist, der einen ringförmigen Verbindungskragen (6) umfasst, und dadurch, dass die Arbeitsfläche (15) des Schweißkopfes (10) eine Ringform aufweist, die wesentlich mit derjenigen des Verbindungskragens (6) des Halses (4) identisch ist.
  10. Mindestens zum Teil weicher Behälter, der durch das Verbinden durch Schweißen von Elementen gebildet wird, welche mindestens eine weiche Bahn (2, 3) aus Kunststoffmaterial umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schweißzone (12) ein im Wesentlichen regelmäßiges Muster aufweist, das aus dem Wechsel von konkaven und konvexen und/oder hellen und dunklen Regionen gebildet wird.
  11. Behälter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Hals (4) aus Kunststoffmaterial umfasst, der über einen ringförmigen Kragen (6) an die weiche Bahn (2, 3) geschweißt ist, wobei die Schweißzone (12) des Kragens (6) auf der weichen Bahn (2, 3) ein im Wesentlichen regelmäßiges Muster aufweist, das aus dem Wechsel von konkaven und konvexen und/oder hellen und dunklen Regionen gebildet wird, und an der Außenseite der Schweißzone (12) des Kragens (6) an der weichen Bahn (2, 3) frei von Graten ist.
  12. Behälter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass er einen weichen Schlauchbeutel (1) zum Lagern von insbesondere flüssigen, halbflüssigen oder pulverförmig Produkten darstellt.
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