DE19930070A1

DE19930070A1 - Schweißelement zum Verschweißen von Kunststoff, insbesondere Kunststoffmonofolie

Info

Publication number: DE19930070A1
Application number: DE19930070A
Authority: DE
Inventors: Burkhard Kaus; Walter Baur
Original assignee: Rovema Verpackungsmaschinen GmbH and Co KG; Rovema GmbH
Current assignee: Rovema Verpackungsmaschinen GmbH and Co KG; Rovema GmbH
Priority date: 1999-06-30
Filing date: 1999-06-30
Publication date: 2001-01-04

Abstract

Um Monofolien auf Kunststoff 5 besser verschweißen zu können, wird vorgeschlagen, die Siegelfläche 11 eines Schweißelementes 2, 3 mittels einer Mikrorauhigkeit 12 zu versehen, die eine Lotusblattstruktur 13 aufweist. Tröpfchen 17 eines Kunststoffes 5 können infolge der Mikroerhebungen 14 nicht flächig an der Siegelfläche 11 anhaften und verbleiben in der Schweißnaht 6, 7 der Monofolie.

Description

Die Endung betrifft ein Schweißelement zum Verschweißen von Kunststoff, insbesondere Kunststoffmonofolie, mit einer gegen den Kunststoff wirkenden Siegelfläche und einer Einrichtung zum Erwärmen des Kunststoffes.

Es ist ein Schweißelement dieser Art bekannt, bei dem eine Heizpatrone im Inneren des Schweißelementes das Schweißelement erwärmt, so daß die Wärme über die Siegelfläche in den Kunststoff gelangt, wenn das Schweißelement gegen den Kunststoff und ein zweites Schweißelement gepreßt wird.

Des weiteren ist bekannt, zwei aufeinander liegende, zuvor mittels eines Laserstrahls erwärmte Kunststoffolien mittels zweier gegenläufiger, als Rad ausgeführter Schweißelemente zu verschweißen. Die Räder drücken mit ihrer mantelförmigen Siegelfläche gegeneinander und klemmen die Kunststoffolien zwischen sich ein.

Mit den bekannten Schweißelementen werden Verbundfolien miteinander verschweißt. Bei diesen Folien befindet sich außen, an den Schweißelementen eine Kunststoffschicht, die einen relativ hohen Schmelzbereich hat, z. B. aus Polypropylen. Innen, an der Kontaktfläche der Folien, befindet sich eine bei niedrigerer Temperatur schmelzende Kunststoffschicht, z. B. aus Polyethylen. Werden die Verbundfolien durch Aufschmelzen der beiden niedriger schmelzenden Kunststoffschichten miteinander verschweißt, so verbleiben die äußeren, höher schmelzenden Kunststoffschichten in ihrem nicht aufgeschmolzenem Zustand. Dadurch kommt es zu keiner Anhaftung von aufgeschmolzenem Kunststoff an den Schweißelementen.

Im Falle der Verschweißung einer Monofolie, z. B. aus Polyethylen, müssen Vorkehrungen getroffen werden, um ein Anhaften von Kunststoff an den Schweißelementen zu vermeiden. Eine Anhaftung könnte eine noch warme Schweißnaht aufreißen und so die Schweißqualität deutlich verschlechtern. So ist es üblich, Monofolien mittels sogenannter Wärmeimpulsbacken zu verschweißen. Bei diesen Schweißelementen wird ein kurzzeitiger Stromfluß durch einen elektrischen Widerstand dazu genutzt, den Nahtbereich der Monofolie zu erwärmen. Nach erfolgtem Stromfluß kühlt der Widerstand ab, und die Monofolie erstarrt. Die erstarrte Folie haftet kaum an der Siegelfläche des Schweißelementes an, und in sicherer Weise dann nicht, wenn der Widerstand - eine Schicht Polytetrafluorethylen (PTFE) aufweist.

Das bekannte Schweißelement für Monofolien hat den Nachteil, daß die Zeit für die Erzeugung einer Schweißnaht relativ groß ist, da der Abkühlprozeß stets relativ lang abgewartet werden muß. Im Falle eines PTFE-Einsatzes muß die Wärme zudem durch die PTFE-Schicht geleitet werden, was ebenfalls zu einem Zeitverlust führt, da PTFE isolierend bzgl. der Wärmeeinbringung, in zwei aufeinanderliegende Monofolien wirkt. Zudem ist PTFE relativ weich und hat keine fange Nutzungsdauer auf Grund mechanischer Einflüsse.

Trotzdem Monofolien kostengünstiger und einfacher zu recyceln sind als Verbundfolien, scheidet der Einsatz der Monofolien, z. B. für Verpackungszwecke, sehr oft daran, daß ihre Verschweißung nur vergleichsweise langsam erfolgen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, bei einem Schweißelement der eingangs beschriebenen Art die Zeitdauer zum sicheren, dichten Verschweißen von Monofolien zu reduzieren.

Gelöst ist die Aufgabe gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1. Danach weist die Siegelfläche eine Mikrorauhigkeit auf, welche in Form einer Lotusblattstruktur ausgebildet ist.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß an der Siegelfläche kein aufgeschmolzener Kunststoff anhaftet. Somit kommt weder eine Beeinträchtigung der Siegelfläche noch ein Auftrennen der Schweißnaht bei einer noch warmen Schweißnaht vor. Monofolien können somit innerhalb relativ kurzer Zeit verschweißt werden, da die Mikrorauhigkeit keine isolierende Funktion hat. Nach dem Aufschmelzen -und Verpressen der Schweißnaht, ggf. nach einer Abkühlphase, kann das Schweißelement vom Kunststoff entfernt werden. Ein Anhaften von aufgeschmolzenem Kunststoff kommt deshalb nicht vor, weil selbst kleinste Kunststofftröpfchen auf Grund der Mikrogenauigkeit der Siegelfläche keine flächige Anhaftung an der Siegelfläche haben. Es kommt lediglich ein punktueller Kontakt zwischen dem verpressten, aufgeschmolzenen Kunststoff und der Siegelfläche vor, nämlich an den Mikroerhebungen der Lotusblattstruktur. Diese Struktur ist von Lotusblättern bekannt.

Weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 13 beschrieben.

Weist die Siegelfläche bei nichtmikroskopischer Betrachtung eine ebene Oberfläche auf (Anspruch 2), so ist die Siegelfläche glatt und in einfacher Weise herstellbar und kann nachträglich mit einer Schicht versehen werden (Anspruch 4), die eine Lotusblattstruktur aufweist. Analog ist dies auch möglich, wenn die Siegelfläche bei nichtmikroskopischer Betrachtung eine profilierte Oberfläche aufweist (Anspruch 3). Die Oberflächenprofile haben lediglich die Aufgabe, den Kunststoff unter Druck lokal zu dehnen und dadurch eine größere Wärmeübertragungsfläche am Kunststoff zu erzeugen. Als Schicht, die eine Lotusblattstruktur aufweist, eignet sich insbesondere eine Lotusblattstrukturfarbe (Anspruch 5). Diese hat den Vorteil, daß sie gut verfügbar ist und einfach auf die Siegelfläche eines herkömmlichen Schweißelementes aufgetragen werden kann. Die Lotusblattstruktur kann aber auch direkt in der metallischen Siegelfläche eines metallischen Schweißelementes ausgebildet werden (Anspruch 6).

Die Kunststoffverschweißung erfolgt schneller, wenn zwei gegeneinander bewegliche Schweißelemente vorgesehen sind, zwischen denen der Kunststoff eingeklemmt wird (Anspruch 7). Hierbei wird von entgegengesetzten Seiten Wärme in den Kunststoff geleitet. Die Schweißelemente können in technisch einfacher Weise mittels eines integrierten Heizelementes impulsartig oder dauerbeheizt sein (Anspruch 11). Auch dauerbeheizt, da der Kunststoff vor einem Trennen der Schweißelemente fallweise nicht abgekühlt werden muß. Ein Aufheizvorgang und ein Abkühlvorgang bei jeder Schweißung kann dabei entfallen. Ein in einem Schweißelement integriertes Trennmesser (Anspruch. 8) kann aus dem Schweißelement herausgeschoben werden, um den Kunststoff, z. B. bei einer Beutelherstellung, zu durchtrennen. Weist die Oberfläche des Trennmessers dort, wo sie mit dem Kunststoff während eines Trennvorganges in Berührung kommt, eine Mikrorauhigkeit in Form einer Lotusblattstruktur auf (Anspruch 9), so kann keine Anhaftung von heißem Kunststoff am Trennmesser vorkommen, und das Trennmesser bleibt funktionstüchtig aus- und einfahrbar.

Der Kunststoff kann auch zwischen zwei Rädern durchgeführt werden, die als Schweißelemente fungieren (Anspruch 10). Dabei bilden die Mantelflächen der Räder die Siegelflächen. Die Räder haben einen entgegengesetzten Umlaufsinn. Alternativ dazu kann das Schweißelement ein um zwei Räder umlaufendes, geschlossenes und beheizbares Band sein (Anspruch 13), entlang dem der zu verschweißende Kunststoff bewegt wird.

Die heiße Schweißnaht kann mittels einer Kühleinrichtung gekühlt werden (Anspruch 12), um sie schnell abzukühlen. Ist die Schweißnaht abgekühlt, so kann sie belastet werden, z. B. nach einem bodenseitigen Verschweißen eines Beutels kann der Beutel befüllt werden.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand Ausführungsbeispiele darstellender Figuren näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 in einer Seitenansicht zwei gegeneinander bewegliche Schweißelemente, deren Siegelflächen eine Mikrorauhigkeit aufweisen, nach dem Verschweißen eines aus einer Monofolie gebildeten Kunststoffschlauches, mit einem Trennmesser in einem Schweißelement, einem durchtrennten Kunststoffschlauch, sowie einer Kühleinrichtung zum Kühlen der Schweißnaht mittels Kühlluft;

Fig. 2 in einer Seitenansicht das um 90 Grad in der Horizontalebene gedrehte Schweißelement ohne Trennmesser der Fig. 1;

Fig. 3 in einer extrem vergrößerten, vereinfachten Darstellung eine Siegelfläche eines Schweißelementes, wobei die Siegelfläche eine Mikrorauhigkeit mit einer Vielzahl an Mikroerhebungen entsprechend einer Lotusblattstruktur aufweist, und zwei Kunststofftröpfchen auf Mikroerhebungen liegen;

Fig. 4 in einer extrem vergrößerten, vereinfachten Darstellung ein auf einer Vielzahl von Mikroerhebungen einer Lotusblattstrukturfarbe liegendes Kunststoff tröpfchen;

Fig. 5 in einer Seitenansicht zwei aneinander liegende Kunststoffmonofolien, die mittels eines Laserstrahls erwärmt und dann durch zwei gegenläufige, ortsfeste Rollen bewegt werden, wobei die Mantelflächen der Rollen eine Mikrorauhigkeit in Form einer Lotusblattstruktur aufweisen, sowie

Fig. 6 in einer Seitenansicht ein um zwei ortsfeste Räder umlaufendes, geschlossenes, und beheizbares Band mit einer Mikrorauhigkeit auf seiner äußeren Oberfläche, mittels dessen zwei aneinander liegende Kunststoffmonofolien verschweißt werden.

Eine Schweißvorrichtung 1 besteht aus zwei gegeneinander beweglichen, als Siegelbacken ausgeführten Schweißelementen 2, 3 (Fig. 1). Ein nach unten bewegter Folienschlauch 4 besteht aus einer Polyethylenmonofolie. Um diesen Kunststoff 5 quer zu seiner Transportrichtung mit zwei Schweißnähten 6, 7 zu versehen, werden während eines Stillstandes des Folienschlauches 4 die Schweißelemente 2, 3 gegeneinander gepresst, wobei der Kunststoff 5 kurzzeitig zwischen den Schweißelementen 2, 3 eingeklemmt wird. In einem Schweißelement 3 befindet sich ein Trennmesser 8. Dieses wird bei geschlossener Schweißvorrichtung 1 kurzzeitig ausgestellt, um den Folienschlauch 4 zu durchtrennen. Aus dem Folienschlauch 4 werden kopfseitig und bodenseitig verschweißte Schlauchbeutel 9 hergestellt. In den Schweißelementen 2, 3 sind jeweils zwei permanent betriebene, geregelte Heizelemente 10 für eine Dauerbeheizung der Schweißelemente 2, 3 integriert, um die Siegelflächen 11 (Fig. 2) der Heizelemente 10 annähernd konstant auf einer Betriebstemperatur von 180 Grad Celsius zu halten, die deutlich höher als die Schmelztemperaturen des Polyethylens (ca. 92 bis 95 Grad Celsius) liegt.

Damit das heiße, fließfähige Polyethylen nicht an den vier Siegelflächen 11 anhaftet, und die Schweißnähte 6, 7 nicht beim Öffnen der Schweißvorrichtung 1 aufgetrennt werden, ist auf den Siegelflächen 11 jeweils eine Mikrorauhigkeit 12 in Form einer Lotusblattstruktur 13 vorgesehen. Die Siegelflächen 11 haben, nichtmikroskopisch betrachtet, eine ebene, glatte Oberfläche. Mikroskopisch betrachtet ist jedoch erkennbar, daß die Oberflächen Mikroerhebungen 14 aufweisen (Fig. 4). Auf der Siegelfläche 11 ist eine Schicht 15 aufgebracht, die eine Lotusblattstruktur 13 aufweist. Die Schicht 15 ist eine Farbschicht, die von einer getrockneten Lotusblattstrukturfarbe gebildet wurde. Die Lotusblattstruktur 13 könnte aber auch direkt in der metallischen Siegelfläche 11 der aus Metall 16 bestehenden Schweißelemente 2, 3 erzeugt werden, z. B. mittels Ätztechnik (Fig. 3). Eine Anhaftung von heißem Kunststoff 5 an der Siegelfläche 11 kommt deshalb nicht vor, da die Mikroerhebungen 14 in Kombination mit der Oberflächenspannung des Kunststoffes 5 dazu führen, daß bei sich öffnender Schweißvorrichtung 1 selbst kleinste Tröpfchen 17 Kunststoff 5 mit der gesamten Masse des Kunststoffes 5 der Schweißnaht 6, 7 verbunden bleiben. Da die Mikroer hebungen 14 bei zurückgenommenem Schweißdruck nur einen punktuellen Kontakt zur Siegelfläche 11 erlauben, und die Oberflächenspannung der Tröpfchen 17 das Bestreben hat, die Tröpfchen 17 möglichst kugelförmig auszubilden, gibt es keine flächige Verbindung zwischen einem Tröpfchen 17 und der Siegelfläche 11. Die Zusammenhangskraft zwischen einem Tröpfchen 17 und der gesamten Masse des Kunststoffes 5 der Schweißnaht 6, 7 ist größer als die Anhangskraft eines Tröpfchens 17 an der Siegelfläche 11. Somit werden die heißen Tröpfchen 17 beim Entfernen des Schweißelementes 2, 3 vom warmen Kunststoff 5 mitsamt dem Kunststoff 5 von der Siegelfläche 11 abgelöst.

Um ein Anhaften von heißem Kunststoff 5 am Trennmesser 8 zu verhindern, weist dieses in seinem zum Kunststoff 5 hin orientierten Bereich 18 ebenfalls eine Oberfläche 19 auf, die mit einer Mikrorauhigkeit 12 in Form einer Lotusblattstruktur 13 versehen ist (Fig. 1).

Um die Schweißnähte 6, 7 schnell abzukühlen und damit zu verfestigen, ist am Kunststoff 5 eine Kühleinrichtung 20 vorgesehen, die Kühlluft 21 gegen die Schweißnähte 6, 7 bläst.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 5 werden zwei aneinander liegende Monofolien aus Kunststoff 5 zunächst mittels eines Strahls 22 eines Lasers 23 erhitzt und dann zwischen zwei Schweißelementen 2, 3 hindurchgeführt. Als Schweißelement 2, 3 ist jeweils ein Rad 24 vorgesehen, dessen Mantelfläche die Siegelfläche 11 bildet. Die Siegelflächen 11 weisen jeweils zwecks Vermeidung einer Kunststoffanhaftung eine Mikrorauhigkeit 12 mit einer Lotusblattstruktur 13 auf. Die Räder 24 laufen in entgegen gesetztem Sinn um und führen durch Zusammenpressen des Kunststoffes 5 die eigentliche Verschweißung aus.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 6 ist das Schweißelement 2 ein um zwei gleichsinnig umlaufende Räder 25, 26 umlaufendes, geschlossenes und mittels einer Heizbacke 28 beheiztes, metallisches Band 27. Die Heizbacke 28 wird mittels Federn 29 gegen die innere Oberfläche 30 des Bandes 27 gedrückt. Die äußere Oberfläche 31 des Bandes 27 weist eine Siegelfläche 11 mit einer Mikrorauhigkeit 12 gemäß einer Lotusblattstruktur 13 auf. Auf einer Unterlage 32 gleiten zwei aufeinanderliegende Monofolien aus Kunststoff 5. Diese werden durch die Wärme des Bandes 27 und den Druck der Federn 29 miteinander verschweißt, wobei eine Anhaftung von Kunststoff resten an der Siegelfläche 11 nicht vorkommt. 1 Schweißvorrichtung
2, 3 Schweißelement
4 Folienschlauch
5 Kunststoff
6, 7 Schweißnaht
8 Trennmesser
9 Schlauchbeutel
10 Heizelement
11 Siegelfläche
12 Mikrorauhigkeit
13 Lotusblattstruktur
14 Mikroerhebung
15 Schicht
16 Metall
17 Tröpfchen
18 Bereich
19 Oberfläche
20 Kühleinrichtung
21 Kühlluft
22 Strahl
23 Laser
24, 25, 26 Rad
27 Band
28 Heizbacke .
29 Feder
30 innere Oberfläche
31 äußere Oberfläche
32 Unterlage

Claims

R05/99

1. Schweißelement zum Verschweißen von Kunststoff, insbesondere Kunststoffmonofolie, mit einer gegen den Kunststoff wirkenden Siegelfläche und einer Einrichtung zum Erwärmen des Kunststoffes, dadurch gekennzeichnet, daß die Siegelfläche (11) eine Mikrorauhigkeit (12) aufweist, welche in Form einer Lotusblattstruktur (13) ausgebildet ist.

2. Schweißelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Siegelfläche (11) eine, nichtmikroskopisch betrachtet, ebene Oberfläche aufweist.

3. Schweißelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Siegelfläche eine, nichtmikroskopisch betrachtet, profilierte Oberfläche aufweist.

4. Schweißelement nach Anspruch 1, Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Schicht (15), welche die Lotusblattstruktur (13) aufweist, auf der Siegelfläche (11) aufgebracht ist.

5. Schweißelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (15) eine Farbschicht ist, die von einer Lotusblattstrukturfarbe gebildet wurde.

6. Schweißelement nach Anspruch 1, Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Lotusblattstruktur (13) in einer metallischen Siegelfläche (11) ausgebildet ist, und daß das Schweißelement (2, 3) aus Metall (16) besteht.

7. Schweißelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß das Schweißelement (2, 3) Teil einer aus zwei gegeneinander beweglichen Schweißelementen (2, 3) bestehenden Schweißvorrichtung (1) ist, wobei der Kunststoff (5) zwischen den Schweißelementen (2, 3) einklemmbar ist.

8. Schweißelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in einem der Schweißelemente (3) ein ausstellbares Trennmesser (8) integriert ist.

9. Schweißelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennmesser (8) in seinem zum Kunststoff (5) hin orientierten Bereich (18) eine Oberfläche (19) mit einer Mikrorauhigkeit (12) aufweist, welche in Form einer Lotusblattstruktur (13) ausgebildet ist.

10. Schweißelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß das Schweißelement (2, 3) ein Rad (24) ist, an dessen Mantelfläche die Siegelfläche (11) vorgesehen ist, so daß der zu verschweißende Kunststoff (5) bei sich drehendem Rad (24) von der Siegelfläche (11) verschweißt werden kann.

11. Schweißelement nach Anspruch 7, Anspruch 8 oder Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß im Schweißelement (2, 3) ein Heizelement (10), insbesondere für eine Dauerbeheizung, integriert ist.

12. Schweißelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß am Kunststoff (5) eine Kühleinrichtung (20) zum Kühlen einer erzeugten Schweißnaht (6, 7) vorgesehen ist, an der vorzugsweise Kühlluft (21) bereitgestellt wird.

13. Schweißelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß das Schweißelement (2) ein um zwei Räder (25, 26) umlaufendes, geschlossenes und beheizbares Band (27) ist.