DE10359036A1 - Verfahren zum Verschweißen eines becherartigen Behälters und Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zum Verschweißen eines becherartigen Behälters und Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen eines becherartigen Behälters mit einem Aufreißdeckel mittels Ultraschall, wobei der Behälter einen flanschartigen Rand aufweist und der Deckel derart auf den Behälter aufgesetzt wird, dass dessen Rand am flanschartigen Rand des Behälters anliegt und die beiden Ränder dadurch miteinander verschweißt werden, dass ein Werkzeug, nämlich eine Ultraschallsonotrode oder ein Gegenwerkzeug, mit einer sich zumindest über einen Bereich in Umfangsrichtung des Randes erstreckenden Schneidkante auf den Rand aufgesetzt und die Schneidkante in den Rand eingepresst wird, dass vor und/oder während der Zuführung von Ultraschallenergie die Spitze der Schneidkante bis in den anderen Rand eingepresst wird und die Ultraschallenergie in Einpressrichtung zugeführt wird. Die Erfindung betrifft außerdem ein Werkzeug zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Ultraschallsonotrode mit einer Ultraschallenergie abgebenden Stirnfläche.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen eines becherartigen Behälters mit einem Aufreißdeckel mittels Ultraschall, wobei der Behälter einen flanschartigen Rand aufweist und der Deckel derart auf den Behälter aufgesetzt wird, dass dessen Rand am flanschartigen Rand des Behälters anliegt und die beiden Ränder miteinander verschweißt werden. Die Erfindung betrifft außerdem ein Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens.
  • Es ist bekannt, Kunststoffe oder mit Kunststoff beschichtete Bauteile mittels Ultraschall miteinander zu verschweißen. Bei der Ultraschallverschweißung kann der Energieeintrag derart gesteuert werden, dass das Material der miteinander zu verschweißenden Bauteile an den gewünschten Stellen erweichen und sich miteinander verbinden. Bei einem anderen Verfahren zum Verbinden von Kunststoffen wird die Energie mittels Heizelementen eingetragen, wobei von außen die Heizenergie, mit welcher die Bauteile plastifiziert werden, eingebracht werden muss. Hierbei wird auf jeden Fall ein Bauteil über seine gesamte Dicke plastifiziert, was unter Umständen unerwünscht ist. Außerdem kann bei diesem Verfahren der Energieeintrag nicht so gezielt auf eine Stelle konzentriert werden, wie beim Ultraschallverschweißen.
  • Das Anbringen eines Aufreißdeckels auf einen becherartigen Behälter erfolgt mittels Heizelementen, was relativ lange dauert, und wobei der Rand des Aufreißdeckels vollflächig mit dem flanschartigen Rand des Behälters verschweißt wird. Eine großflächige Verschweißung hat zwar den Vorteil, dass sie üblicherweise eine große Sicherheit hinsichtlich ihrer Dichtigkeit bietet, es muss jedoch in Kauf genommen werden, dass der Aufreißdeckel nur mit Mühe vom Behälter entfernt werden kann.
    •
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verschweißen eines becherartigen Behälters mit einem Aufreißdeckel bereitzustellen, bei welchem der Aufreißdeckel zwar mit Sicherheit am Behälter befestigt wird, die Verschweißung jedoch die Materialien der Bauteile nicht unnötig belastet und bei dem der Aufreißdeckel relativ leicht entfernt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Verschweißen eines becherartigen Behälters mit einem Aufreißdeckel mittels Ultraschall gelöst, bei dem der Behälter einen flanschartigen Rand aufweist und der Deckel derart auf den Behälter aufgesetzt wird, wobei dessen Rand am flanschartigen Rand des Behälters anliegt und die beiden Ränder dadurch miteinander verschweißt werden, und ein Werkzeug, nämlich eine Ultraschallsonotrode oder ein Gegenwerkzeug mit einer sich zumindest über einen Bereich in Umfangsrichtung des Randes erstreckenden Schneidkante auf den Rand aufgesetzt und die Schneidkante in den Rand eingepresst wird, wobei vor und/oder während der Zuführung von Ultraschallenergie die Spitze der Schneidkante bis in den anderen Rand eingepresst wird und die Ultraschallenergie in Einpressrichtung zugeführt wird.
  • Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Energie nicht vollflächig über und die gesamte Breite des Randes eingebracht sondern die Energie wird in Form von Ultraschallenergie mittels einer Schneidkante, die in den Rand eindringt, lediglich dort eingebracht, wo die miteinander zu verbindenden Bauteile aneinander anliegen, was den wesentlichen Vorteil hat, dass die Energie nicht über die gesamte Dicke des Randes zugeführt wird und dadurch der Rand lediglich dort plastifiziert wird, wo er mit dem anderen Bauteil verbunden werden soll. Außerdem wird die Energie nicht über die gesamte Breite des Randes zugeführt sondern lediglich über einen sehr schmalen Bereich, nämlich lediglich im Umfeld der Schneidkante, was den Vorteil hat, dass der Deckel einerseits dicht am Behälter befestigt ist, andererseits aber auch leicht vom Behälter entfernt werden kann, da der Aufreißdeckel nur über die notwendige Fläche mit den Behälter verbunden ist. Wesentlich ist aber, dass der Energieeintrag nicht wie bei Heizelementen über die gesamte Dicke des einen Bauteils erfolgt.
  • Erfindungsgemäß kann die Schneidkante entweder an der Ultraschallsonotrode oder am Gegenwerkzeug vorgesehen sein, wobei die Schneidkante bevorzugt an der Sonotrode angeformt ist.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Ultraschallsonotrode entweder auf den Rand des Aufreißdeckels oder auf den Rand des Behälters aufgesetzt wird. Bei beiden Varianten erfolgt der Energieeintrag lediglich in die miteinander zu verbindende Stelle, wobei das im Umfeld sich befindende Material nicht plastifiziert wird. Bevorzugt wird aber die Ultraschallsonotrode auf den Deckelrand aufgesetzt, was weiter unten noch näher beschrieben wird.
  • Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens wird zusätzlich zur Schneidkante mittels einer Schweißfläche Ultraschallenergie auf den Rand aufgebracht. Dies kann entweder gleichzeitig oder nach dem Einbringen der Schweißenergie mittels der Schneidkante erfolgen. Dabei kann der Deckel über die zusätzliche Schweißfläche dicht mit dem Behälter verbunden werden, wobei die Schneidkante dazu verwendet wird, eine Sollbruchstelle zu erzeugen, an welcher der Deckel beim Entfernen vom Behälter aufreißt, und wobei ein Teil des Deckelrandes am Behälter verbleibt.
  • Erfindungsgemäß wird radial innerhalb und/oder außerhalb der Schneidkante zusätzlich Ultraschallenergie in den Rand eingebracht. Dies erfolgt zur dichten Verschweißung des Deckels mit den Behälter, wobei die Schneidkante lediglich dazu dient, die beiden Schweißbereiche voneinander zu trennen. Dies bedeutet, dass der Deckelrand zwar flüssigkeitsdicht am Behälterrand befestigt ist, dass aber der Deckelrand (oder aber auch der Behälterrand) derart am anderen Rand befestigt ist, dass beim Aufreißen des Deckels ein Teil des Randes am anderen Rand verbleibt. Hierdurch wird ein Originalitätsverschluss geschaffen, welcher sofort anzeigt, ob der Deckel noch original verschlossen, das heißt am Behälter befestigt ist, oder ob der Deckel zuvor schon einmal entfernt wurde.
  • Erfindungsgemäß kann sowohl die Schneidkante als auch die zusätzliche Schweißfläche nur über einen Teil des Umfangs, das heißt über einen Teil in Umfangsrichtung des Deckels bzw. des Behälters laufen, sodass nur über diesen Teil der Rand aufgeschnitten und mit dem anderen Rand verbunden wird, wobei der restliche Bereich entweder mit dem anderen Rand nicht verbunden ist, oder verbunden aber nicht geschnitten ist.
  • Es besteht auch die Möglichkeit, dass die Verschweißung der beiden Ränder diskontinuierlich erfolgt, was zum Beispiel dann ausreicht, wenn keine dichte, das heißt flüssigkeits- oder gasdichte Anbringung des Behälterdeckels erforderlich ist. Die diskontinuierliche Verschweißung ist vergleichbar mit einer Verheftung.
  • Die oben genannte Aufgabe wird auch mit einem Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens gelöst, wobei das Werkzeug mit einer Ultraschallsonotrode mit einer Ultraschallenergie abgebenden Stirnfläche versehen ist, wobei die Stirnfläche eine Ultraschallenergie abgebende Schneidkante aufweist, die orthogonal von der Stirnfläche abragt und sich zumindest über einen Teil in Umfangsrichtung des Randes erstreckt.
  • Mit diesem Werkzeug kann der Aufreißdeckel nicht nur flüssigkeitsdicht mit dem Behälterrand verbunden werden sondern der Rand des Aufreißdeckels wird außerdem mit einer Sollbruchstelle versehen, an welcher beim Aufreißen des Deckels der Rand aufgetrennt wird, so dass ein Teil des Randes des Aufreißdeckels am Rand des Behälters verbleibt.
  • Um eine flüssigkeits- oder gasdichte Verschweißung des Aufreißdeckels mit dem Behälter zu gewährleisten, weist das Werkzeug an seiner Stirnfläche zusätzliche Bereiche zum abgeben von Ultraschallenergie auf, die radial innerhalb und/oder radial außerhalb der Schneidkante liegen. Dies hat den wesentlichen Vorteil, dass über diese Bereiche die dichte Befestigung garantiert wird, wohingegen die Schneidkante lediglich für die Sollbruchstelle benötigt wird.
  • Dabei können sich die zusätzlichen Bereiche über einen Teil des Umfangs oder über den gesamten Umfang erstrecken, wobei eine Verheftung des Aufreißdeckels dann genügt, wenn kein flüssigkeitsdichter oder gasdichter Verschluss erforderlich ist.
  • Erfindungsgemäß sind die zusätzlichen Bereiche an der Stirnfläche der Ultraschallsonotrode eben ausgebildet, sodass die Ultraschallenergie gezielt zum Beispiel in einen am Rand vorgesehenen Richtungsgeber eingeleitet werden kann. Dieser Richtungsgeber ist an der Fläche des Randes vorgesehen, welcher dem anderen Rand gegenüberliegt, wobei der Richtungsgeber als Materialwulst ausgebildet ist.
  • Mit Vorzug liegen die beiden zusätzlichen Bereiche auf gleicher Höhe, sodass kein Versatz im Rand erforderlich ist.
  • Um ein Abschälen des Aufreißdeckels einleiten zu können, läuft die Schneidkante mit wenigstens einem Ende aus der Stirnfläche der Ultraschallsonotrode heraus nach außen aus. Dieser Auslauf befindet sich in unmittelbarer Nähe der Aufreißlasche des Aufreißdeckels.
  • Erfindungsgemäß weist die Schneidkante einen im Wesentlichen dreieckförmigen Querschnitt auf, wobei die radial innere Flanke einen Winkel von 80° bis 100°, insbesondere 90° zur Stirnfläche aufweist. Diese Flanke steht also orthogonal von der Stirnfläche ab und dient beim Einpressen der Schneidkante in den Rand vornehmlich als Trennmittel. Die radial äußere Flanke der Schneidkante weist einen Winkel von 110° bis 130°, insbesondere von 120° zur Stirnfläche auf und dient demnach vornehmlich zum Verdrängen von Material. Über diese Flanke wird hauptsächlich die Ultraschallenergie eingebracht, wobei die andere Flanke sich in Richtung des Energieflusses erstreckt und nahezu keinen Beitrag für die Verschweißung leistet.
  • Da die Flanken beim erfindungsgemäßen Werkzeug einen Winkel von 10° bis 50°, insbesondere einen Winkel von 30° einschließen, ist ein schneidendes Auftrennen des Randes gewährleistet. Diese Sollbruchstelle stellt sicher, dass der Aufreißdeckel entlang dieser Schnittlinie aufgetrennt wird.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Bechers mit Aufreißdeckel und eines Werkzeugs beschrieben sind. Dabei können die in der Zeichnung dargestellten sowie in der Beschreibung und in den Ansprüchen erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
    •
  • In der Zeichnung zeigen:
  • 1 eine Draufsicht auf die Stirnseite einer Ultraschallsonotrode;
  • 2 einen Schnitt II-II durch die Ultraschallsonotrode gemäß 1;
  • 3 eine vergrößerte Wiedergabe des Ausschnitts III gemäß 1, den Auslauf der Schneidkante zeigend;
  • 4 eine vergrößerte Wiedergabe des Ausschnitts IV gemäß 2, die Schneidkante zeigend;
  • 5 eine Draufsicht auf einen mit einem Aufreißdeckel verschlossenen Behälter; und
  • 6 einen Schnitt VI – VI durch den Behälter mit Aufreißdeckel und aufgesetzter Ultraschallsonotrode gemäß 5.
  • In der 1 ist mit dem Bezugszeichen 10 die Stirnseite einer insgesamt mit 12 bezeichneten Ultraschallsonotrode dargestellt, die in der 2 im Längsschnitt II-II wiedergegeben ist. Die Stirnseite 10 unterteilt sich im Wesentlichen in einen Bereich 14, und in einen Bereich, in welchem sich eine Schneidkante 16 im Wesentlichen in Umfangsrichtung erstreckt. Über die Stirnseite 10 wird Ultraschallenergie auf ein anliegendes Bauteile abgegeben.
  • Die Ultraschallsonotrode 12 wird an ihrem der Stirnseite 10 gegenüberliegenden Ende 18 an einen (nicht dargestellten) Konverter angeschlossen, welcher seinerseits mit einem Ultraschallgenerator verbunden ist. Durch die Form der Ultraschallsonotrode 12 kann Einfluss auf die Größe der Amplitude, die Lage der Schwingungsknoten und Schwingungsbräuche und so weiter genommen werden.
  • Die 3 zeigt eine vergrößerte Wiedergabe des Ausschnitts II gemäß 1, in welchem deutlich die Schneidkante 16 dargestellt ist. Diese Schneidkante 16 weist, wie auch aus 4 ersichtlich, die eine noch stärkere Vergrößerung des Ausschnitts IV gemäß 2 darstellt, eine radial innere Flanke 20 und eine radial äußere Flanke 22 auf, wobei die radial innere Flanke 20 zur Stirnseite 10 einen Winkel von 90° einschließt, das heißt orthogonal von dieser abragt. Die radial äußere Flanke 22 schließt einen Winkel von 120° zur Stirnseite 10 ein.
  • Radial innerhalb der Schneidkante 16 befindet sich eine erste zusätzliche Schweißfläche 24 und radial außerhalb der Schneidkante 16 befindet sich eine zweite zusätzliche Schweißfläche 26. Die beiden Schweißflächen 24 und 26 erstreckten sich parallel zur Stirnseite 10 und sind eben ausgebildet und befinden sich auf gleicher Höhe. Über diese zusätzlichen Schweißflächen 24 und 26 wird ebenfalls Ultraschallenergie abgegeben.
  • Aus 3 ist noch deutlich erkennbar, dass die Schneidkante 16 in einem mit 28 bezeichneten Bereich nach außen ausläuft.
  • Die 5 zeigt eine Draufsicht auf einen Behälter 30 (6), auf welchen ein Aufreißdeckel 32 aufgesetzt ist. Dieser Aufreißdeckel 32 besitzt eine Lasche 34, an welcher er ergriffen und in Richtung des Pfeils 36 (6) vom Behälter 30 entfernt wird. Dabei kann der Aufreißdeckel 32 bis zum Bereich 14 vollständig vom Behälter 30 entfernt werden, so dass er lediglich noch mit seinem im Bereich 14 befindlichen Rand 36 am Rand 38 des Behälters 30 befestigt ist. Um ein Abtrennen des Aufreißdeckels 32 vom Rand 38 des Behälters 30 außerhalb des Bereiches 14 zu ermöglichen, wird mittels der Schneidkante 16 eine Sollbruchstelle in den Rand 36 des Aufreißdeckels 32 eingebracht, wie nachfolgend beschriebenen wird.
  • Nachdem die Ultraschallsonotrode 12 mit ihrer Stirnseite 10 auf den Aufreißdeckel 32, wie in der 6 dargestellt, aufgesetzt worden ist, wird die Schneidkante 16 in die Oberseite des Randes 36 des Aufreißdeckels 32 eingepresst, bis die Spitze der Schneidkante 16 geringfügig in den Rand 38 eindringt. In dieser Position der Ultraschallsonotrode 12 liegt die erste Schweißfläche 24 radial innerhalb der Schneidkante 16 auf der Oberseite des Randes 36 und liegt die zweite Schweißfläche 26 radial außerhalb der Schneidkante 16 auf der Oberseite des Randes 36 an. Die von der Ultraschallsonotrode 12 abgegebene Energie wird sowohl über die Schneidkante 16 als auch über die beiden Schweißflächen 24 und 26 derart in den Rand 36 eingeleitet, dass an der Spitze der Schneidkante 16 der Rand 38 plastifiziert und sich mit dem. Rand 36 verbindet und im Bereich der Schweißflächen 24 und 26 eine über die Breite der Schweißflächen sich erstreckende Verschweißung der beiden Ränder 36 und 38 erfolgt. Aus 6 ist deutlich erkennbar, dass die Schneidkante 16 im Bereich der Lasche 34 aus dem Bereich des Randes 38 ausläuft.
  • Beim Einpressen der Schneidkante 16 in den Rand 36 wird der Rand 36 im Umfangsbereich der Schneidkante 16 aufgetrennt und es wird eine Sollbruchstelle 40 geschaffen. Dabei wird aber sowohl der radial innere Teil des Randes 36 als auch der radial äußere Teil des Randes 36 über die beiden Schweißflächen 24 und 26 mit dem Rand 38 dicht verschweißt. Über die Sollbruchstelle 40, die zusätzlich eine Verschweißung erfährt, kann also der Inhalt des Behälters 30 nicht austreten.
  • Wird die Lasche 34 in Richtung des Pfeils 36 angehoben, beginnt eine Auftrennung der durch die Schneidkante 16 erzeugten Sollbruchstelle 40 an zwei Ausschnitten 42, in welche die Sollbruchstelle 40 ausläuft, wobei der radial innere Teil 44 des Randes 36 mit der Lasche 34 abgehoben wird, und der radial äußere Teil 46 des Randes 36 am Rand 38 des Behälters 30 verbleibt. Da sich die Sollbruchstelle 40 lediglich außerhalb des Bereiches 14 erstreckt, wird der Aufreißdeckel 32 lediglich bis zum Bereich 14 vom Rand 36 des Behälters 30 abgehoben, sodass im Bereich 14 der Aufreißdeckel 32 nach wie vor am Behälter 30 verbleibt. Der Aufreißdeckel 32 besitzt eine nicht näher definierte Knicklinie 48, sodass er von der Behälteröffnung abgehoben werden kann.

Claims (16)

  1. Verfahren zum Verschweißen eines becherartigen Behälters (30) mit einem Aufreißdeckel (32) mittels Ultraschall, wobei der Behälter (30) einen flanschartigen Rand (38) aufweist und der Deckel (32) derart auf den Behälter (30) aufgesetzt wird, dass dessen Rand (36) am flanschartigen Rand (38) des Behälters (30) anliegt und die beiden Ränder (36 und 38) dadurch miteinander verschweißt werden, dass ein Werkzeug, nämlich eine Ultraschallsonotrode (1) oder ein Gegenwerkzeug mit einer sich zumindest über einen Bereich in Umfangsrichtung des Randes (36) erstreckenden Schneidkante (16) auf den Rand (36 oder 38) aufgesetzt und die Schneidkante (16) in den Rand (36 oder 38) eingepresst wird, dass vor und/oder während der Zuführung von Ultraschallenergie die Spitze der Schneidkante (16) bis in den anderen Rand (38 oder 36) eingepresst wird und die Ultraschallenergie in Einpressrichtung zugeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallsonotrode (12) auf den Deckelrand (36) oder den Behälterrand (38) aufgesetzt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Schneidkante (16) mittels einer Schweißfläche (24, 26) Ultraschallenergie auf den Rand (36) aufgebracht wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass radial innerhalb und/oder außerhalb der Schneidkante (16) zusätzlich Ultraschallenergie in den Rand (36) eingebracht wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Ultraschallenergie zumindest über einen Teil des Umfangs des Rands (36) aufgebracht wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschweißung mittels der Schneidkante (16) und die zusätzliche Verschweißung zusammen über wenigstens 360° des Umfang des Randes (36) erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschweißung kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgt.
  8. Werkzeug zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Ultraschallsonotrode (12) mit einer Ultraschallenergie abgebenden Stirnfläche (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnfläche (10) eine Ultraschallenergie abgebende Schneidkante (16) aufweist, die orthogonal von der Stirnfläche (10) abragt und sich zumindest über einen Teil in Umfangsrichtung des Randes (36) erstreckt.
  9. Werkzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnfläche (10) radial innerhalb und/oder radial außerhalb der Schneidkante (16) zusätzliche Bereiche (24, 26) zum Abgeben von Ultraschallenergie aufweist.
  10. Werkzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Bereiche (24, 26) sich über einen Teil in Umfangsrichtung erstrecken.
  11. Werkzeug nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche (24, 26) eben sind.
  12. Werkzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche (24, 26) auf gleicher Höhe liegen.
  13. Werkzeug nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidkante (16) mit wenigstens einem Ende aus der Stirnfläche (10) heraus nach außen ausläuft.
  14. Werkzeug nach einem der Ansprüche 8 bis 13, an dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidkante (16) einen im Wesentlichen dreieckförmigen Querschnitt aufweist, wobei die radial innere Flanke (20) einen Winkel von 80 Grad bis 100 Grad, insbesondere 90 Grad zur Stirnfläche (10) aufweist.
  15. Werkzeug nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidkante (16) einen im Wesentlichen dreieckförmigen Querschnitt aufweist, wobei die radial äußere Flanke (22) einen Winkel von 110 Grad bis 130 Grad, insbesondere von 120 Grad zur Stirnfläche (10) aufweist.
  16. Werkzeug nach Anspruch 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Flanken (20, 22) einen Winkel von 10° bis 50°, insbesondere von 30° einschließen.
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