DE1782213A1 - Vorrichtung zum Verschliessen von Hohlkoerpern,vorzugsweise Flaschen aus thermoplastischem Kunststoff,durch Verschweissen mittels Ultraschall - Google Patents

Vorrichtung zum Verschliessen von Hohlkoerpern,vorzugsweise Flaschen aus thermoplastischem Kunststoff,durch Verschweissen mittels Ultraschall

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DE1782213A1
DE1782213A1 DE19681782213 DE1782213A DE1782213A1 DE 1782213 A1 DE1782213 A1 DE 1782213A1 DE 19681782213 DE19681782213 DE 19681782213 DE 1782213 A DE1782213 A DE 1782213A DE 1782213 A1 DE1782213 A1 DE 1782213A1
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bottle
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H Strunck and Co
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Description

  • Vorrichtung zum Verschliessen von Hohlkörpern, vorzugsweise Flaschen aus thermoplastischem Kunststoff, durch Verschweissen mittels Ultraschall.
  • Zusatz zu Patentanmeldung St 27 211 III/64b Das Hauptpatent betrifft eine Vorrichtung zum Verschliessen von Hohlkörpern, vorzugsweise Flaschen, aus thermoplastischem Kunststoff durch Verschweisen mittels Ultraschall. Das Neue besteht dabei darin, dass die Hohlkörper während des Verschliessvorganges kontinuierlich vortransportierbar und die Ultraschallwerkzeuge (Schwinger) gruppenweise einem Hochfrequenzgenerator zugeordnet und wechselweise an diese anschliessbar sein können. Weiterhin sind Schwinger und zugehöriger Amboss relativ gegeneinander verschiebbar.
  • Die Erfindung bezweckt eine weitere Ausgestaltung des Gegenstandes der Hauptanmeldung. Ihr liegt die Aufgabe zu Grunde, die Qualität des durch den Schweissvorgang erzielten Verschlusses zu verbessern.
  • Dabei soll auch erreicht werden, dass die Schweissstelle selbst und die in unmittelbarer Nahe derselben gelegenen Bereiche des fjohlkörpers nicht durch den Schweissvorgang geschwächt oder sonstwie in un-@@@st@@er @eise bee@n@@usst werden.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, dass die beiden einander zugekehrten und am Hohlkörper zur Anlage kommenden Flächen von Schwinger und Amboss zueinander schräg verlaufen derart, dass sich der Abstand der Flächen in einer Richtung, vorzugsweise von oben nach unten, vergrössert. Auf eine Flasche bezogen würde dies bedeuten, dass sich der Abstand der Flächen von ihren dem freien Ende des Flaschenhalses zugekehrten Seiten in Richtung auf den Flaschenkörper vergrössert. Die schräge Anordnung der beiden Flächen zueinander kann dadurch erzielt werden, dass, um bei dem sich auf die Flasche beziehenden Beispiel zu bleiben, nur eine Fläche vom vertikalen Verlauf abweicht. Es ist aber auch ohne weiteres möglich, beide Flächen gegenüber der Vertikalen schräg verlaufen zu lassen. In jedem Falle wird erreicht, dass der Teil des Hohlkörpers, an dem der Schweissvorgang durchgeführt werden soll, also beispielsweise der Hals einer Flasche, durch die in Schliessstellung befindlichen Teile, also Schwinger und Amboss, an der Stelle die stärkste Pressung erfahren, an welcher der Abstand der beiden vorerwähnten Teile am geringsten ist. Dies ist deshalb wichtig, weil bei Anwendung von Ultraschall die angestrebte Wirkung dort am stärksten ist, wo zwischen den beiden miteinander zu verschweissenden Flächen praktisch keine Luftshicht mehr vorhanden ist. Daraus ergibt sich, dass bei Anwendung ddr Lehre gemäss der Erfindung die für die Plastitzierung des Werkstoffes erforderliche Wärmezufuhrung im Bereich des geringsten Abstandes zwischen Schwinger und Amboss am stärksten ist.
  • Dort kommt es also zuerst zu einer Plastifizierung. Dies hat, wenn dieser geringste Abstand von Schwinger und Amboss nahe dem oberen Ende beispielsweise eines Flaschenhalses sich befindet, zur Folge, dass das plastisch gewordene Material nach unten, also in Richtung des grösser werdenden Abstandes zwischen Schwinger und Amboss fliesst und dabei die hier gegebenenfalls zwischen den beiden miteinander zu verschweissenden Flächen befindliche Luft verdrängt, so dass auch hier, obwohl zumindest in der ersten Phase des Schweissvorganges die durch Schwinger und amboss bewirkte mechanische Pressung geringer sein wird, eine schnelle Erwärmung und somit Plastifizierung des Materiales eintreten Es war bereits erwähnt worden, dass von Schwinger und Amboss ein Druck auf den dazwischen befindlichen Bereich des zu verschliessenden Hohlkörpers, an dem der Schweissvorgang durchgeführt wird, ausüben. Dieser Druck kann dazu führen, dass das Material, nachdem es begonnen hat, plastisch zu werden, verdrängt, und zwar gegebenenfalls in einem solchen Ausmass, dass auch bei ansonsten einwandfreier Durchführung der eigentlichen Schweissverbindung der auf diese Weise hergestellte Verschluss nicht widerstandsfähig genug ist. Um eine solche auf das Enderzeugnis sich nachteilig auswirkende Materialverdrängung zu vermeiden, schlägt die Erfindung weiterhin vor, dass die Schliessbewegung von Schwinger und Amboss durch einen zweckmässig einstellbaren Anschlag begrenzt ist. Dieser Anschlag wird vorteilhaft so eingestellt sein, dass die Schliessbewegung von Schwinger und Amboss zunächst durch das Zusammenpressen des dazwischen befindlichen Materials im Bereich des geringsten Abstandes dieser beiden Teile beendet wird, wobei der zur Durchführung der Schliessbewegung auf die beiden Teile auszuübende Druck von dem dazwischen befindlichen Material aufgenommen wird.
  • Im Verlauf der nunmehr einsetzenden Plastitzierung werden sich Schwinger und Amboss noch um eine geringe Wegstrecke gegeneinander bewegen, bevor der Anschlag wirksam wird und somit die Schliessbewegung endgUltik beendet. Im Verlauf der Bewegung über die vorerwähnte kurze Zegitreke erfolgt zwar auch im Bereich des geringsten Abstandes zwischen Schwinger und Amboss eine gewisse Verdrängung des Materials, sobald dieses plastisch geworden ist. Jedoch ist das Ausmass der Verdrängung auf Grund der eindeutigen Begrenzung der Schliessbewegung durch den Anschlug ohne weiteres vorhersehbar und kontrollierbar. Zudem ist es im wesentlichen auf jenen Teil der miteinander zu verschweissenden Flächen beschränkt, die im Bereich des ri: geringsten Abstandes zwischwn Schwinger und Amboss liegen. Im übrigen wird davon auszugehen sein, dass während der Zeitspanne zwischen dem Beginn des Schweissvorganges und dem Wirksamwerden des Anschlages der von Schwinger und Amboss auf die dem Bereich geringsten Abstandes benachbarten Bereiche des Hohlkörpers ausgeübte Druck ebenfalls zunimmt, so dass auch dort zu einer guten Schweissverbindung kommt.
  • D. h. also, dass die Entstehung einer dauerhaften Schwissverbindung keineswegs auf den Bereich geringsten Abstandes zwischen Schwinger und Amboss beschränkt ist.
  • Gemäss einem weiteren Vorschlag der Erfindung können die einander zugekehrten und am Hohlkörper zur Anlage kommenden Begrenzungsflächen von Schwinger und/ochs Amboss mit Riefen, Kordeln, Nuten oder dgl. versehen sein, die vorzugsweise vertikal und/oder horizontal verlaufen. Der Vorteil einer solchen Ausbildung dieser Flächen besteht darin, dass das von ihnen während des Schweissvorganges beaufschlagte Material weniger spröde wird als bei Verwendung mehr oder weniger glatter Flächen an Schwinger und Amboss. Zweckmässig ist die Anordnung dabei so getroffen, dass die in Richtung der Längsachse des zu verschliessenden Krpers verlaufenden Riefen oder dgl. in einem Abstand von der dem Hohlkörper zugekehrten Begrnzgs. seite von Amboss bzw. Schwinger enden. Diese Ausbildung ist deshalb vorteilhaft, weil sie an der einen Seiten des zu versch@eissenden Bereiches eine Zone schafft, bei der die Pressung durch Schwinger und Amboss über die gesamte Breite desselben übertragen wird, wodurch sich die Entstehung von Kapillaren mit Sicherheit verhindern lässt.
  • Ausserdem hat es sich als zweckmässig herausgestellt, zumindest eine quer zur Längsachse des Hohlkörpers verlaufende Riefe oder dgl. in geringem Abstand vom freien Ende des fertigen Flaschenhalses oder dgl. verlaufen zu lassen. Dadurch entsteht an oder nahe dem freien Ende des Schweissverschlusses, also beispielsweise an oder nahe dem freien Ende eines auf diese Weise verschlossenen Flaschenhalses, an einer oder an beiden Seiten einer Materialanhäufung in Gestalt etwa einer Leiste, die die Schweissverbindung verstärkt und unerwünschte Verformungen vermeidet oder doch stark reduziert. Letzteres kann z. B. dann Bedeutung haben, wenn die Flasche nach Anbringung des Schweissverschlusses noch einem Sterilisiervorgang unterzogen wird. Die dabei erneut auftretende Wärmeeinwirkung kann dazu führen, dass der verschweisste Bereich sich etwas verzieht. Festigkeit und Brauchbarkeit von Flasche und Verschluss erfahren dadurch keine Verschlechterung.
  • Jedoch ist es denkbar, dass das Aussehen der Flasche beeinträchtigt werden könnte.
  • Bin weiterer wesentlicher Vorschlag der Erfindung sieht vor, dass der bboss nit einem zusätzlichen Heizelement versehen ist Dadurch wird die O(Lte des VSchweissvorganges ebenfalls günstig beeinflusst. Wichtig ist dabei aber auoh, dass die Dauer des Schweissvorganges verkürzt wird. Im Zusanienhang mit diesem zusätzlichen Heizelement im Amboss ist zu berücksichtigen, dass die Energie in Form von Ultraschall vom Schwinger durch das zu behandelnde Material hindurch auf den it boss übertragen wird. Vom Schwinger zum Amboss liegt somit normalerweise ein Energie- und zwangsläufig auch zugleich ein Wäriegefälle vor, so dass, wenn keine besonderen Vorkehrungen getroffen werden, die Temperatur während des Schweissvorganges an der dem Anboss zugekehrten Seite niedriger sein wird, als, an der Seite, des zu behandelnden Materialbereiches, die dem Schwinger zugekehrt ist. Da auf jeden Fall auch an der Ambosseite eine gewisse Mindesttexperatur vorhanden sein muss, damit eine einwandfreie Verschweissung erzielt wird, ist der dafür notwendige Zeitaufwand im wesentlichen abhängig von den Temperaturverhältnissen am Amboss. Dies kann durch das vorerwähnte zusätzliche Heizelement günstig beeinflusst werden. Wesentlich ist auch hier, dass dieses Heizelement keinen irgendwie ins Gewicht fallenden Aufwand darstellt, zumal es unter Verwendungbekannter Mittel ohne weiters so steuerbar ist, dass die Wärmeabgabe ohne weiteres an die betrieblichen Erfordernisse angepasst werden kann.
  • Weiterhin schlägt die Erfindung vor, dass vorzugsweise von Amboss und Schwinger getragene und mit diesen verschiebbare Halterungen vor gesehen sind, die im Verlauf der Schliessbewegung von Schwinger urpd Amboss und des Schweissvorganges den an den su verschliessenden T*il der Flasche anschliessenden Bereich abstützen. Hierbei ist davon 4uszugehen, dass der Flaschenhals, der in unbeanspruchtem Zustand im allgemeinen einen etwa zylindrischen oder elliptischen Umfang autweitt, durch Schwinger und Amboss während des Schliesavorganges zusammengequetscht wird. Die dadurch auf die benachbarten Bereiche der Flasche, insbesondere auf dem gegebenenfalls freibleibenden Teil des Flaschenhalses oder den Übergang vom Flaschenhals zur Flaschenschulter übertragenen Spannungen wirken sich häufig dahingehend aus, dass sich diese benachbarten Bereiche aufwölben, wodurch nach Beendigung des Schweissvorganges an diesen Stellen Dauerbeanspruchungen durch die aufgebrachten Spannungen eintreten können, die gegebenenfalls zu Rissbildung und dgl. führen. Ausserdem kann der Übergang zwischen dem Verschweissten Bereich und diesen verformten Stellen ebenfalls im Hinblick auf die mögliche Enstehung von Rissen, Haarspalten oder dgl. unnstig sein.
  • Dem wirken die vorerwähnten Halterungen entgegen, die bereits während des Schliessvorganges an diesen benachbarten Bereichen zur Anlage kommen und so verhindern, dass es zu irgendwelchen unerwünschten und bleibenden Verformungen kommt.
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 im Schema die Seitenansicht von Schwinger und Amboss, teilweise im Schnitt, Fig. 2 eine Ansicht in Richtung der Pfeile II-II der Fig. 1, Fig. 3 einen Längsschnitt durch den Amboss in grösserem Maßstab, Fig. 4 die dazugehörige Vorderansicht.
  • In Fig. 1 und 2 der Zeichnung sind Schwinger 23 und Amboss 24 ix Schliessstellung dargestellt. Zwischen ihnen befindet sich der Hals 70 einer Flasche 63, die durch Verschweissen mittels Ultraschall verschlossen werden soll. Diet Figuren 1 und 2 lassen erkennen, dass Schwinger 23 und Amboss 24, die in Richtung der Pfeile 71 und 72 gegeneinander in die in der Zeichnung dargestellte Lage verschiebbar und entgegen der Richtung der Pfeile wieder auseinander fahrbar sind, in ihrer Schliessstellung den Flaschenhals 70 zusammenquetschen. Dadurch werden im Ergebnis zwei im wesentlichen prallel zueinander verlaufende Lagen 73 und 74 aus thermoplastischem Material gebildet, die in der zunächst vorhandenen Trennebene 75 miteinander zu versciissen sind.
  • Die für den Schweissvorgang erforderliche Energie wird von Schwinger 23 zugeführt.
  • Die Zeichnung lässt erkennen, dass die beiden am Hals 70 der Flasche 63 zur Anlage kommenden Flächen 76 und 77 von Schwinger und Amboss zueinander schräg verlaufen, und zwar in der Weise, dass der Abstand zwischen den beiden Flächen 76 und 77 von oben nach unten zunimmt.
  • Weiterhin ist der Amboss 24 mit einem einstellbaren Gewindebolzen 78 versehen, der mit einem am Schwinger 233 befindlichen Anschlag 79 zusammenwirkt und die Schxiliessbewegung von Schwinger 23 und Amboss 24 in Richtung der Pfeile 71 und 72 begrenzt.
  • Die vorbeschriebene Ausbildung der Teile hat zur Folge, dass die Schliessbewegung von Schwinger 23 und Amboss 24 zunächst aufhört, sobald der Flaschenhals 70 im Bereich 80 des geringsten Abstandes zwischen den beiden Flächen 76 und 77 völlig zusammengedrückt ist.
  • Diese Phase der Schliessbewegung ist in den Figuren 1 und 2 dargestellt. Dabei befindet sich das freie Ende 81 des Bolzens 78 noch in einem geringen Abstand vom Anschlag 79. Sobald nun über den Schwhger 23 Ultraschall auf das den Flaschenhals 70 bildende Material zur Einwirkung kommt, erfolgt eine Erwärmung und somit Plastifizierung des Kunststoffes, und zwar zunächst vor allem im Bereich 80 des geringsten Abstandes, weil dort die beiden Lagen 73 und 74 unmittelbar und unter Druck aneinander anliegen. Im Zuge der zunehmenden Erweichung des Materials wird dieses durch den von Schwinger und Amboss ausgeübten Druck verdrängt, wobei die Schliessbewegung von Schwinger und Amboss um eine geringe Wegstrecke fortgesetzt wird. Das Ausmass dieser zweiten Phase der Schliessbewegung und damit auch der daraus resultierenden Materialverdrängung ist jedoch gering, da die Schliessbevegung in dem Augenblick endgültig abgeschlossen ist, in welchem das freie Snde 81 des Bolzens 78 gegen den Anschlag 79 stösst. D. h. also, dass die resultierende Mindeststärke des aus den beiden Materiallagen 73 und 74 hergestellten Schweissverschlusses ohne weiteres festlegbar ist.
  • Es war bereits darauf hingewiesen worden, dass im Verlauf des Schweissvorganges zunächst das Material im Bereich 80 des geringsten Abstandes plastisch wird. Dieser Bereich 80 befindet sich nahe der oberen Begrenzung der herzustellenden Schweissverbindung, so dass ein Teil des plastisch gewordenen Materials, veranlasst auch durch den von Schwinger und Amboss ausgeübten Druck, nach unten auseicht, also in enden Bereich 82 hinein, in welchem der Abstand zwischen den beiden Begrenzungsflächen 76 und 77 größer und damit der auf den Flaschen hals 70 ausgeübte Druck geringer ist., Dieses nach unten fliessende bzw. verdrängt Material hat zur Folge, dass ein zwischen den Lagen 73 und 74 befindlicner Luftspalt mit schweissbarem Material ausgefüllt wird, so dass im Bereich 82 die Wirkung des Ultraschalles im Sinne einer stärkeren Erwärmung und Plastifizierung verbessert wird.
  • Das Ausmass der Abschragung der beiden Begrenzungsf@@ch@@ 76 und 77 wird von den jeweiligen Verhälthissen abhängen.
  • Schwinger 23 und/oder Amboss 24 können dn ihren einander zugekehrten Begrenzungsflachen 76 bzw. 77 mit riefenartigen Vertiefungen 84 versehen sein, die quer zur Längsrichtung von Schwinger oder Amboss, also im wesentlichen vertikal verlaufen. Diese Riefen, deren Tiefe nach unten, also in Richtung auf den Flaqchenkorper, derart abnimmt, dass sie in einem Abstand 85 von der unteren Begrenzungskante 86 von Amboss oder Schwinger enden, verhindern, dass die Beaufschlagung des thermoplastischen Materials in dem zu verschweissenden Material durch die beiden Begrenzungsflächen 76 und 77 eine Zunahme der Çrödigkeit des Kunststoffes zur Folge hat. Eine derartige Wirkung kann auch durch Riefen, Nuten, Kordeln oder dgl. erzielt werden, die in einer anderen Richtung verlaufen. So ist bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel die Begrenzungsfläche 77 des Amboss 24 in einem geringen Abstand von der oberen Begrenzung 87 desselben mit einer in Längsrichtung verlaufenden Reife oder Nut 88 versehen, durch die an dem zu verschweissenden Bereich des Flaschenhalses nahe dem oberen Ende desselben eine querverlaufende vorstehende Leiste 89 angeformt wird, die die Formsteifigkeit des verschweissen Bereiches erwhöht. Dabei ist davon auszugehen, dass im allgemeinen die oberhalb des verschweissten Bereiches stehen bleibenden Teile 90 des ursprünglichen Flaschenhalses nach dem Schweissvorgang als Abfall abgetrennt werden.
  • Es war bereits erwähnt worden, dass die H:nergiezufuhr für die Durchführung des Schweissvorganges über den Schwinger 23 erfolgt. Darüber hinaus kann es zweckmässig sein, dem Amboss 24 ein Heizelement 91 zuzuordnen, so dass letzterer auf einer Temperatur gehalten wird, die die Qualität der chweissverbindung günstig beeinflusst und die Dauer des Schweissvorganges verkürzt. i4ig. 1 der Zeichnung lässt weiterhin erkennen, dzss Schwinger 23 und Amboss 24 leistenicrmige Ilalterungen c2 tragen, die sich der Schlie#-stellung der beiden Teile 23 und 24 an den unterhalb des durch Schweissen herzustellenden Verschlusses befindlichen Bereich 93 der Flasche egen. Diese Halterungen sollen verhindern, dass der Bereich 93 der Flasche durch das Zusammenquetschen des Flaschenhalses im Zuge der Schliessbewegung von Schwinger 23 und Amboss 24 irgendwelche unerwünschten Verformungen erfährt. Die beiden zweckmässig aus Blech bestehenden Halterungen 92 tonnen so ausgebildet sein, dass sie in ihrer wirksamen Lage, wenn also Schwinger und Amboss ihre Schlie#stellung einnehmen, den uninittelbar unterhalb der beiden letztgenannten Teile befindlichen bereich des Hohlkörpers mehr oder weniger zusammendrücken. Dies wird vor allen dann zweckmässig sein, @@@@ wenn die Rückstellkraft des tialses durch eine starke Halswandstärke zunimmt.

Claims (7)

  1. P a t e n t a n s p r ü c h e Vorrichtung zum Verschliessen von Hohlkörpern, vorzugsweise Flaaus en, aus thermoplastischem Kunststoff durch Verschweissen mittels Ultraschall, wobei die Hohlkörper während des Verschliessvorganges kontinuierlich vortransportierbar und die Ultraschallwerkzeuge (Schwinger) gruppenweise einem Hochfrequenzgenerator zugeordnet und wechselweise an diesen anschliessbar sein können und Schwinger und zugehöriger Amboss relativ gegeneinander verschiebbar sind, nach Patentanmeldung St 27 211 III/64b, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden einander zugekehrten und am Hohlkörper (63) zur Anlage kommenden Flächen (76, 77) von Schwinger (23) und Amboss (24) zueinander schräg verlaufen derart, dass sich der Abstand der Flächen in einer Richtung, vorzugsweise von oben nach unten, vergrössert.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schliessbewegung von Schwinger (23) und Amboss (24) durch einen zweckmässig einstellbaren Anschlag (78, 79) begrenzt ist.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einander zugekehrten und am Hohlkörper (63) zur Anlage kommenden Begrenznngsflächen (76, 77) von Schwinger (23) unda@ Amboss (24) mit Riefen, (84, 88), Kordeln, Nuten oder dgl. versehen sind, die vorzugsweise vertikal und/oder horizontal verlaufen.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die im wesentlichen vertikal bzw. in Richtung der Längsachse des zu verschliessenden Körpers (63) verlaufenden tiefen (84) oder dgl. in einen Abst and (85) von der dem Hohlkörper (63) zugekehrten Begrenzungsseite (86) von Amboss (24) bwz. Schwinger (23) enden.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine quer zur Längsachse des Hohlkörpers (63) verlaufende Riefe (88) oder dgl. in geringem Abstand vom freien Ende des fertigen Flaschenhalses oder dgl. verläuft.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Amboss (24) mit einem zusätzlichen Heizelement (91) versehen ist.
  7. 7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vorzugsweise von Amboss (24) und Schwinger (23) getragene und mit diesen verschiebbare Halterungen t92) vorgesehen sind, die während des Schweissvorganges den an den zu ver-9 schliessenden Teil der Flasche (63) anschliessenden Bereich (23) abstützen. L e e r s e i t e
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