DE2165620B2

DE2165620B2 - Vorrichtung zum flächenmässigen Ultraschallvers chweissen kunststoffhaltiger oder kunststoffbeschichteter Folien

Info

Publication number: DE2165620B2
Application number: DE2165620A
Authority: DE
Inventors: Hitoshi Shukuya; Kanji Tsuchiya
Original assignee: Daiichi Jitsugyo Co Ltd
Current assignee: Daiichi Jitsugyo Co Ltd
Priority date: 1971-12-30
Filing date: 1971-12-30
Publication date: 1974-05-02
Also published as: DE2165620C3; DE2165620A1

Description

H f ErfSunf SSS^h? ^{gmäß Verbu}"dstoffe verwendet werden, können Kalzium

pfn bzw VeichSen Af⁸, ^{ZUm Ver}' ^sulfat' ^Talkum' Kohlenstoff, Bentonit, Kieselerde, in

f Sf SSS¹^?^{0 einer gmäß Verbu}"dstoffe verwendet werden, können Kalzium-B&Sk£Ä,Ä ^iT ^Formn^{von Mikropulver} L^{der in}, ^koll?^{dem Zusta}f

Γ 1_M Hpr I Iltn^h^ii J · ⁰¹S^{e einer} Über- sein. Die anorganischen Materialien können einzeln ^d Tr^gvihundStf ^8I^ ^{aUflreten>
auch} 5 oder in Kombination verwendet werden. Das Substrat

SfiS^iTcL besaht oH ""*' ^{SchiChlen wird dadurch her}S^estelIt· ^{daß 70 bis 95 GewichtS}" SnHe mL ι ^&°^ ^^m ^das P^{rozent der zuvor} erwähnten anorganischen Mate-

SIr "'κ' ^unterschi^liche rialien in 5 bis 30 Gewichtsprozent thermoplasti-

a_i ^aU _tanf de? OhTrS" Γη ^{immte Unregel}- ^schem kunstharz gleichmäßig dispergiert werden.

maßigKe.t auf der Oberfläche des zu verschweißen- io Die Art und Menge der thermoplastischen Kunst-

den fohenart gen Verbundstoffs infolge seines Auf- harze und der anorganischen Materialien, die ge-

baus aus zwei oder vier Schichten vorhanden ist. mischt werden, hängen von den verwendeten thermo-

In den big. 1 bis 8 ist der Gegenstand der Er- plastischen Kunstharzen und dem Verwendungszweck

findung an Hand einiger Ausfunningsbeispiele dar- des Verbundstoffs ab.

gestellt, welche nachstehend im einzelnen näher er- 15 Nachstehend sind einige Versuchsbeispiele näher

läutert sind. Es zeigt erläutert

Fig. I Verbrennungsstellen im Inneren eines

Probematerials, Beispiel 1

F i g. 2 einen Querschnitt durch das Probematerial F i g. 1 zeigt Verbrennungsstellen im Inneren eines

längs der Linie H-II in Fig. 1, _{20 a]s Probemateria}, verwendeten Verbundstoffs, der

F1 g. J eine Autsicht auf ein Gegenwerkzeug, mit Ultraschallschwingungen verschweißt wurde. Der

F1 g. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV durch gezeigte Verbundstoff besteht aus einem Laminat aus

das Werkzeug nach F ig. 3, _{zwei recntec}kigen, mit Polyäthylen überzogenen

Fig. 5 den Zuschnitt eines Verpackungsbehälters Papierschichten (im folgenden als PE-Laminatpapier

aus weiterverarbeitetem Papier, ₂₅ bezeichnet), auf das zwei Schichten eines P£-Lami-

F1 g 6 eine perspektivische Darstellung des aus natpapiers aufgelegt sind, so daß ein vertiefter Teil

dem Zuschnitt nach F i g. 5 aufgefalteten bzw. auf- gebildet wird, der ein gleichseitiges Dreieck in der

gestellten Behälters der Fig. 5, _{Mitte des rech}teckigen PE-Laminatpapiers begrenzt.

Fig. 7 die Verschweißung des Bodenteils des Ver- Bei diesem Versuch wurde als Ultraschallgeber ein

packungsbehälters, und _{30 sta}bförmiges Werkzeug mit einer Breite von 6 mm

F i g. 8 die Verschweißung der öffnung des Ver- verwendet. Die Frequenz betrug 28 kHz, der statische

packungsbehälters. Omck 36 kg/cm², die Druckdauer 1 see und die

Die verbesserte Vorrichtung zum Verschweißen Haltezeit nach der Druckbeaufschlagung 0,8 see.
von Verbundmaterialien gemäß der Erfindung weist In den Fig. 1 und 2 bezeichnet 1 einen 4-Schichein die Ultraschallschwingungen abgebendes Werk- 35 ten-Teil eines PE-Laminatpapiers, 2 einen 2-Schichzeug, nämlich die Sonotrode, und ein Gegenwerk- ten-Teil des PE-Laminatpapiers (der eine Vertiefung zeug, den Amboß, auf, von denen beide oaer eins von in Form eines gleichseitigen Dreiecks bildet), 3 eine ihnen profilierte Oberflächen besitzen, die mit der un- Verbrennungsstelle im Inneren des 4-Schichten-Teils regelmäßigen Oberfläche der zu versiegelnden bzw. zu und 4 eine Verbrennungsstelle im Inneren des verschweißenden Folie übereinstimmen. Unter profi- 4° 2-Schichten-Teils des Laminats. Die acht Bereiche lierten Oberflächen sind unregelmäßige bzw. Aus- α bis h des Laminatpapiers wurden einer Ultraschallnehmungen aufweisende Oberflächen zu verstehen, schweißung ausgesetzt. Zwischen den Bereichen an die mit den unregelmäßigen Oberflächen der Werk- der Oberseite des 4-Schichlen-TeiIs besteht die Bestücke übereinstimmen bzw. die infoige einer unter- ziehung a> h, während zwischen den Bereichen an schiedlicher. Dicke des zu schweißenden Verbund- 45 der Oberseite des 2-Schichten-Teils die Beziehung materials eine unterschiedliche Höhe haben. Die a < h besteht.

profilierten Oberflächen der Werkzeuge können Vor- Betrachtet man die Verteilung der VerbrennungsspjU.ige und konkave Teile aufweisen, die zueinander stellen nach der Druckbeaufschlagung, so zeigt sich, komplementär sind. In bestimmten Fällen kann nur daß bei den 2- und 4-Schichten-l eilen die Größe der eines der Werkzeuge eine derart profilierte Oberfläche 50 Verbrennungsstellen mit zunehmender Oberflächen- »ufweisen, die mit der Oberflächenunregelmäßigkeit größe abnimmt, und daß auf der Mittellinie des eines der zu verschweißenden Werkstücke überein- gleichseitigen Dreiecks auf dem 2-Schichten-Teil stimmt. Durch die profilierten Oberflächen der zwei Verbrennungsstellen auftreten. Dies erklärt, Werkzeuge erreicht man eine gleichmäßige Aus- daß die εη der Grenzlinie (die das gleichseitige Dreibreitung bzw. einen gleichmäßigen Druck an den 55 eck begrenzt und dessen Rand eine Stelle unter-Teilen der zu verschweißenden Werkstücke. schiedlicher Dicke des Papiers darstellt) die erzeugte

Der zu verwendende Verbundstoff kann je nach Hitze sich in Richtung der Mittellinie ausgebreitet

den Erfordernissen aus Papier, Zellophan, Alumi- und dnrt konzentriert hat. Dies bedeutet, daß, je

nium oder einer Kombination niervon bestehen. Die langer die Ausbreitungsstrecke ist, desto größer ist

thermoplastische Kunstharzschicht, mit der die Folie 60 auch die Wärmeableitung während der Ausbreitung,

überzogen ist, kann aus Polyäthylen, Polystyrcn, was zu einer kleineren Verbrennungsstelle führt.

Polyvinylacetat, Polyvinylchlorid, Polyvinylalkohol, Dies gilt auch für den 4-Schichten-TeiI. Der Grund,

Methacrylsäureester, Poiycr.rbonat usw. bestehen. weshalb die Größe der Verbrennungsstellen in dem

Diese Stoffe können je nach dem beabsichtigten An- 4-Schichten-Teil größer ist als in dem 2-Schichten-

weiidungsfall und den Eigenschaften der Trägerfolic 65 Teil, ist darin zu sehen, daß der Auflagedruck in

ausgewählt werden. Die Dicke der Schicht kann ersterein größer als in letzterem ist; dies führt zu

10 bis 100|i auf einer Seite betragen. Die anorgani- einer geringeren Wärmeableitung als in dem

sehen Materialien, die als Substrat für folienartige 2-Schichten-Teil. Es wurde auch festgestellt, daß die

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spezifische Wärme von Polyäthylen 0,55 cal/g° be- Laminattcüs übereinstimmte. Die Frequenz der Ultraträgt, während die von Papierfasern größer als schallschwingungen betrug 15, 19 und 28 kHz. Es 0,33 cal/g° ist, so daß ersteres eine größere Elastizi- wurde festgestellt, daß bei höherer Frequenz die Vertat als letzteres aufweist und dadurch eine größere brennungen und die Verformung geringer und die Ultraschallabsorption. Dies wiederum führt zu einem 5 Schälfestigkeit größer sind,
schnelleren Temperaturanstieg. Wenn die Temperatur . .
108 bis 12O⁰C erreicht, schmilzt die Polyäthylen- Beispiel 3
schicht und wenn die Temperatur den Brennpunkt Es wurde ein Laminat hergestellt, das aus zwei bei etwa 375° C erreicht, werden die Papierfasern Schichten eines Verbundmaterials aus 90 Gewichtsverbrannt. Dieser Versuch zeigte, daß Verbrcnnun- «" prozent Gips in Mikropulverform und 10 Gewichtsgen vor allem in dem mittleren Verschweißungsteii prozent Polyäthylen besteht. Das Verbundmaterial bzw. dem mittleren Teil des Laminat auftreten, wurcL· mittels einer Sonotrode und eines flachen während an der Oberfläche der Verschweißungsteile, Ambosses geschweißt, deren Berührungsflächen entdie mit dem Ultraschallgeber und dem Gegenwerk- sprechend der unregelmäßigen Oberflächen der zu zeug in Berührung stehen, keine Verbrennungen auf- 15 schweißenden Teile profiliert war. Bei diesem Vortreten (Innenerhitzung). Anschließend wurde ein gang betrug die Frequenz der Ultraschallschwingun-Versuch durchgeführt, bei dem ein Gegenwerkzeug gen jeweils 15, 19 und 28 kHz. Das Ergebnis zeigte, verwendet wurde, das ein kreisförmiges Loch mit daß bei höherer Frequenz die Schmelzlöcher und die einem Durchmesser von 2 mm und einer Tiefe von Verformung abnehmen und die Schälfestigkeit zu-0,5 mm aufwies. Es wurde festgestellt, daß Verbren- so nimmt.

nungen an einer der Lochmitte entsprechenden Stelle B e i s D i e 1 4

auftreten. Ein weiterer Versuch mit e'nem Ultra- ^p

schallgeber mit einer Nut von 0,6 mm Breite und F i g. 3 zeigt einen Amboß mit einer profilierten 0,3 mm Tiefe in der Oberfläche, die mit den zu ver- Oberfläche und F i g. 4 einen Querschnitt längs der schweißenden Teilen des Laminats in Berührung as Linie IV-IV in Fig 3. Fig. 5 zeigt einen Behälter stehen, zeigte, daß Verbrennungen an den Stellen aus einem folienartigen Verbundstoff in ungefaltetem auftreten, die der rechteckige Hochdruckbereich um- Zustand; die Falzlinien sind gestrichelt gezeigt, gibt und die dem Mittelteil entsprechen. Bei einem F i g. 6 ist eine Darstellung, aus der die verschiedenen Verbundstoff, bei dem anorganische Materialien in Herstellungsschritte des Behälters hervorgehen, großen Mengen in thermoplastischem Kunstharz 30 F i g. 7 zeigt den Behälter, dessen Boden zu vergleichmäßig dispergiert sind, wurden keine Verbren- schweißen sein wird, und F i g. 8 zeigt den Behälter, nungen festgestellt, da derartige Materialien ther- dessen obere öffnung zuzuschweißen sein wird,
misch nicht leiten, wogegen ein Ix>ch festgestellt Wenn der in Fig.5 gezeigte Zuschnitt, wie in wurde, dessen Stelle der Verbrennungsstelle ent- F i g. 6 gezeigt, gefaltet ist, kann die Verschweißung spricht, die im vorhergehenden Falle auftrat. 35 leicht durchgeführt werden, da die zu verschweißen-

Aus diesen Feststellungen wurde die Erkenntnis den Teile nur aus zwei Schichten bestehen, wobei die

gewonnen, daß es notwendig ist, daß, wie ruvor be- Kante 5 an der Kante 6 befestigt wird,

schrieben, profilierte Oberflächen an der Sonotrode Danach werden die Teile 7 und 8 nach innen und

und deren Amboß vorgesehen werden, die mit der dann die Zungen 9 und 10 darüber gefaltet und dann

unregelmäßigen Oberfläche der zu verschweißenden 40 werden die 4-Schichten-Teile und die 2-Schichten-

Teile in Berührung stehen, um dadurch Verbren- Teile, bestehend aus den Zungen 9 und 10, gefaltet,

nungsstellen oder Schmelzlöcher zu verhindern und um den Boden des Behälters zu bilden. Auf diese

eine hohe Zuverlässigkeit der Schweißverbindung Weise bildet der Boden eine unregelmäßige Fläche

sicherzustellen. unterschiedlicher Dicke der gefalteten Teile. Die

Außerdem wurde festgestellt, daß die Tiefe der 45 Ultraschallschweißung wurde, wie aus F i g. 7 er-Ausnehmungen bzw. profilierten Teile in der Ober- sichtlich, durchgeführt, wobei ein Amboß gemäß fläche der Werkzeuge großen Einfluß auf das F i g. 3 verwendet wurde, der eine Auflagefläche 13 Schweißergebnis hat. Es ist wesentlich, daß die Kan- für zwei Papierschichten und eine Auflagefläche 14 ten der Ausnehmungen bzw. Profilierungen einen be- für vier Papierschichten aufweist,
stimmten Radius aufweisen. Wenn eine solche Kante 5° Wie aus F i g. 4 hervorgeht, besteht eine Höheneinen spitzen Winkel bildet, werden die Ultraschall- differenz G zwischen den Auflageflächen 13, 14 und schwingungen reflektiert, wodurch eine Verbrennung den Vorsprüngen 15 (Höhenumfangsdifferenz) an oder ein Schmelzloch an ihrer Brennpunktstelle ver- gegenüberliegenden Enden der Auflageflächen 14. ursacht wird. Die Höhendifferenz E ist kleiner als die Höhen-

Das Gegenwerkzeug der Sonotrode, der Amboß, 55 differenz G. Die Vorsprünge 15 dienen dazu, den

sollte vorzugsweise aus Metall mit guter Wärmeleit- Druck an diesem Teil zu erhöhen, um dadurch eine

fähigkeit bestehen. größere Haftkraft zu erhalten.

Die Frequenz der Ultraschallschwingungen sollte Schließlich wurde die öffnung des Behälters ge-

wenigstens über 25 kHz liegen. maß F i g. 8 mittels der Sonotrode 16 und des Am-

... 60 bosses 17 zugeschweißt. Da der zu schweißende

Beispiel Z _Teil ^_n _der öffnung des Behälters die Verbindung

Es wurde PE-Laminatpapier verwendet, das an von 4-Schichten-Teilen mit 2-Schichten-Teilen erfor-

der Oberseite mit einer Polyäthylenschicht mit einer dert, die aus den Zungen 11 und 12 bestehen, treten

Dicke von 30 μ und einer Dicke von 20 μ an der somit eine unterschiedliche Dicke bzw. unregelmäßige

Rückseite überzogen war, was einem Gewicht von 65 Oberfläche auf. Es wurden daher Werkzeuge 16 und

230 g/m² entspricht. Es wurde ein Amboß mit einer 17 verwendet, deren Stirnfläche der unterschiedlichen

profilierten Oberfläche verwendet, die mit der un- Dicke bzw. der Oberflächenunregelmäßigkeit an-

regelmäßigcn Oberfläche des zu schweißenden gepaßt ist.

Mit Hilfe der erfindungsgemäß ausgebildeten Schweißvorrichtung läßt sich eine kürzere Schweißzeit bei größerer Zuverlässigkeit der Schweißverbindung erreichen, ohne daß Verbrennungen oder Schmelzlöcher an den geschweißten Teilen auftreten. Als zu schweißende Materialien kommen Verbund-

stoffe aus einem mit einem thermoplastischen Kunstharz überzogenen Substrat oder papierartige Materialien, bei denen ein anorganisches Material in großen Mengen gleichmäßig in thermoplastischem Kunstharz dispergiert ist, und die unregelmäßige Oberflächen aufweisen, in Betracht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

4109518/317

Claims

1 -* 2 nungen oder zu durchgeschmolzenen Löchern führt, Patentansprüche: hervorgerufen wird. Aus diesen Gründen wurde die Anwendung von

1. Vorrichtung zum flächenmäßigen Ultra- Ultraschallschwingungen zum Versiegeln von Pakschallverschweißen kunststoffhaltiger oder kunst- 5 kungen bzw. zur Herstellung von Verpackungsbehälstoffbeschichteter Folien aus im übrigen wenig- tern aus weiterverarbeitetein Papier als ungeeignet stens verhältnismäßig schwer plastifizierbaren angesehen und man wandte daher die externe Er-Stoffen mit im Verschweißungsbereich unter- hitzungsmcthode, das heißt, die Zuführung der beschiedlicher Gesamtdicke zwischen einer Sono- nötigten Wanne von außen her an.

trode und einem Amboß, dadurch gekenn- io Diese vorerwähnte Methode hat jedoch den Nachzeichnet, daß wenigstens eines der beiden teil, daß automatisch arbeitende Vorrichtungen sehr Ultraschall-Werkzeugteile (16, 17) an einer dem teuer sind, daß deren Betrieb relativ kompliziert ist Werkstück zugekehrten Seite eine der unter- und eine hohe Erfahrung erfordert, was zu einer nicht schiedlichen Gesamtdicke der Folien ent- gleichbleibenden Qualität der Produkte führt. Außersprechende Profilierung aufweist. >5 dem besteht bei der externen Erhitzungsmethode die

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch Gefahr, daß die äußere Erscheinungsform der Progekennzeichnet, daß die Profiltiefe (G) im Werk- dukte infolge einer nicht einwandfreien Verzeug und der Dickenunterschied einander gleich schweißung beeinträchtigt wird.

sind. Aus der USA.-Patentschrift 3 468 731 ist ein Ver-

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da- 20 fahren bzw. eine Vorrichtung zum Ultraschallverdurch gekennzeichnet, daß die Kanten der Profi- schweißen von aus thermoplastischem Kunststoff belierung Abrundungen aufweisen. stehenden Tuben bekannt. Das zu verschweißende

Material besteht dabei entweder vollständig aus

Polyäthylen oder aus einer innenseitig mit Polyäthy-

35 len beschichteten Folie. Die zu verschweißenden

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Teile weisen dabei jedoch keinerlei Unregelmäßigflächenmäßigen Ultraschallverschweißen kunststoff- keit hinsichtlich der Gesamtdicke im Schweißhaltiger oder kunststoffbeschichteter Folien aus im bereich auf, so daß auch die bereits genannten übrigen wenigstens verhältnismäßig schwer plastifi- Nachteile nicht auftreten. Wie sich aus der Bezierbaren Stoffen mit im Verschweißungsbereich 30 Schreibung ergibt, fließt voll plastifizierbares Kunstunterschiedlicher Gesamtdicke zwischen einer Sono- Stoffmaterial leicht unter den Schweißwerkzeugen Irode und einem Amboß. weg, weshalb in diesen entlang der Schweißbahn eine

Beim Verschweißen von kunststoffbeschichteten nutförmige Ausnehmung vorgesehen werden soll, in oder kunststoffhaltigen Folien aus im übrigen nicht weiche der überschüssige plastifizierte Kunststoff ein- oder nur schwer plastifizierbaren Stoffen, wie z. B. 35 fließen kann. Diese Ausnehmung entspricht aber in Papier od. dgl. oder anorganischem Material, ergeben Anordnung und Tiefe keinem ursprünglich vorhandesich besondere Schwierigkeiten, die mit der mangel- nen Unterschied in der Gesamtdicke des zu verhaften Wärmeleitfähigkeit bzw. der mangelnden schweißenden Materials und dient auch nicht dazu, Plastifizierbarkeit zusammenhängen. Deshalb ist es dadurch bei Mehrschichten-Folien der eingangs gebisher zumindest in der Praxis nicht möglich ge- 40 nannten Art hervorgerufene Verbrennungen oder wesen, derartige Folien mittels U'tnischallenergie Löcher zu vermeiden.

lllächenmäüig zu verschweißen, insbesondere wenn Aus der USA.-Patentschrift 3 483 073 ist es be-

die aufeinanderliegenden Folien im Bereich der zu kannt, kunststoffbeschichtetes Nylongewebe mittels

verschweißenden Fläche eine unterschiedliche Ue- Üiiiaschall zu verschweißen. Bei dickem Mehr-

samtdicke aufweisen. Dabei kann es sich um unter- 45 Schichtenstoff treten von vornherein nicht ohne wei-

schicdlichc Folicnstärkcn, Oberflächenunebenheiten teres die beschriebenen Probleme auf. Insbesondere

oder insbesondere um den Fall wandeln, daß eine ist dieser Druckschrift nicht die Verschweißung von

oder mehrere der zu verschweißenden Folien im kunststoffbeschichteten bzw. kunststoffhaltigen Folien

Schweißbereich einen Rand aufweisen, wie das z. B. aus im übrigen schwer oder nicht plastifizierbaren

oft bei zusammengefalteten Verpackungsstoffen, wie 5° Stoffen, bei denen im zu verschweißenden Bereich

Falttütcn u. dgl., der Fall ist. eine unterschiedliche Gesamtdicke auftritt, zu ent-

Es hat sich weiterhin gezeigt, daß die Anwendung nehmen.

Von Ultraschallenergic zum Versiegeln bzw. Ver- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das

Schweißen von Verpackungsbehältern aus weiterver- Ultraschallschweißen auch für derartige Stoffe an-

ürbeitctem, mit einer thermoplastischen Kunstharz- 55 wendbar zu machen und insbesondere eine Vorrich-

ichicht überzogenem Papier nicht geeignet ist, da das tung zu schaffen, mittels derer eine einwandfreie

Papier ein schlechter Wärmeleiter ist und, wenn es fiächenmäßige Verschweißung in Bereichen mit

erhitzt wird, verbrennen kann. unterschiedlicher Gesamtdicke ermöglicht wird.

Die Schwierigkeiten beim Verschweißen von Folien Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung mit unregelmäßigen Stärken und ungleichmäßigem 60 dadurch, daß wenigstens eines der beiden Ultraschall-Aufbau aus zwei oder mehreren Schichten weiterver- Werkzeugteile an einer dem Werkstück zugekehrten arbeiteten Papiers beruhen bei der Anwendung von Seite eine der unterschiedlichen Gesamtdicke der Ultraschallschwingungen auf einer ungleichmäßigen Folien entsprechende Profilierung aufweist,
statischen Kraftbclastum;, verbunden mit einer un- Vorteilhafterweise sind die Profiltiete im Werkzeug gleichmüßigen Ausbreitung der Ultraschallschwin- 65 und der Dickenunterschied einander gleich. Die Kangungcn, so daß eine ungleichmäßige Erhitzung, cine ten der Profilierung weisen zweckmäßigerweise Abzum Teil schlechte Verschweißung oder sogar eine rundungen auf. Dadurch lassen sich, wie die Erfah-Überhitzung an bestimmten Stellen, die zu Verbren- rung zeigte, optimale Ergebnisse erzielen.