DE2546095A1

DE2546095A1 - Vibrationswerkzeug zur ultraschallversiegelung

Info

Publication number: DE2546095A1
Application number: DE19752546095
Authority: DE
Inventors: Eric August Braun
Original assignee: Ex-Cell-O Corp
Current assignee: Ex-Cell-O Corp
Priority date: 1974-10-22
Filing date: 1975-10-15
Publication date: 1976-04-29
Also published as: GB1523794A; DK459775A; ZA756389B; NL162337C; NO753304L; US3912576A; NO143305C; FI752838A; JPS555414B2; CA1057248A; DE2546095B2; CH588972A5; USRE29568E; NO143305B; NL162337B; SE412738B; NL7511755A; SE7511409L; DE2546095C3; FR2288678A1

Description

DR.-ING. DlPI INS. M. SC- DIOI PhIVt. OR. DIPL.-PXVS.

HÖGER - STELLRECHr - GRIEüSBACH - HAECKER

PATEN^T\Nir!lLTE tf· STUTTGART

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13. Oktober 1975

Ex-Cell-0 Corporation

2855 Coolidge

Troy Michigan 48084, USA

Vibrationswerkzeug zur ültraschallversiegelung

Die Erfindung betrifft ein Vibrationswerkzeug zur Ültraschallversiegelung von Kartons oder dergleichen mit thermoplastischer Beschichtung.

Es sind verschiedene Vorrichtungen zum Versiegeln von Behältern aus thermoplastischem Material bzw. mit thermoplastischer Beschichtung bekannt, bei denen die Hitze für die Versiegelung entweder direkt oder mit Hilfe von Ultraschallvibrationen erzeugt wird. Beispiele für derartige vorbekannte Vorrichtungen

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finden sich beispielsweise in den US-PSen 3,200,557; 3,307,325; 3,309,841; 3,468,731; 3,531,908; 3,562,041; 3,579,958; 3,681,167 und 3,717,539 sowie in der Deutschen Auslegeschrift 2.165,620.

Es ist ein Nachteil der bisher bekannten Vorrichtungen, insbesondere der Vibrationswerkzeuge zur Ultraschallversiegelung, dass sich mit ihnen nicht in allen Fällen eine sichere Versiegelung im Verlauf eines kurzen Arbeitstaktes erreichen lässt, da bei den bekannten Versiegelungswerkzeugen der Tatsache, dass die zu versiegelnden Decken- bzw. Bodenverschlüsse bereichsweise eine unterschiedliche Schichtstärke besitzen und beispielsweise zwischen 1 und 4 Lagen des Kartonmaterials umfassen, nicht genügend Rechnung getragen wird.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Vibrationswerkzeug zur Ultraschallversiege^ng vorzuschlagen, das eine schnelle und sichere Versiegelung der Decken- und Bodenverschlüsse von Kartons oder dergleichen mit thermoplastischer Beschichtung ermöglicht.

Diese Aufgabe ist durch ein Vibrationswerkzeug der eingangs beschriebenen Art gelöst, welches gemäss der Erfindung durch einen Grundkörper mit einer mit einer überstehenden Rippenanordnung versehenen Siegelfläche gekennzeichnet ist sowie dadurch, dass die Rippenanordnung zwei einander gegenüberliegende Dreiecksgruppen von symmetrisch ineinander geschachtelten Dreiecken aufweist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines Vibrationswerkzeugs gemäss der Erfindung umfasst die Rippenanordnung also

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ein -Paar von einander gegenüberliegenden konzentrischen Sätzen von Rippendreiecken, deren Spitzen einander gegenüberliegen, und zwar derart, dass die Rippenteile, welche die Schenkel der Rippendreiecke bilden, in entgegengesetzten Richtungen von den zugeordneten Spitzen der Dreiecke ausgehen. Die Basis jedes der Rippendreiecke verläuft ferner vorzugsweise parallel zu Kanten des üblicherweise rechteckigen Decken- bzw. Bodenverschlusses. Dabei liegen die Spitzen der äusseren Rippendreiecke jeder Dreieckgruppe vorzugweise auf der Mittellinie des Decken- bzw. Bodenverschlusses. Als günstig hat es sich erwiesen, wenn die einzelnen Rippen der Rippenanordnung abschnittsweise eine verschiedene Höhe aufweisen, derart, dass in allen Bereichen des Decken- bzw. Bodenverschlusses unabhängig von der Dicke desselben bzw. von der Anzahl der ihn bildenden Schichten eine gleichmässige Siegelwirkung erreichbar ist.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand einer Zeichnung noch näher erläutert und/oder sind Gegenstand der Unteransprüche. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Zuschnitt für einen üblichen Karton mit thermoplastischer Beschichtung, dessen stirnseitige Endverschlüsse mit einem Vibrationswerkzeug gemäss der Erfindung versiegelbar sind;

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Bodenverschluss eines aus dem Zuschnitt gemäss Fig. 1 aufgestellten Kartons;

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Siegelfläche einer bevorzugten Ausführungsform eines Vibrationswerkzeugs

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gemäss der Erfindung zum Versiegeln des in Fig. 2 gezeigten Bodenverschlusses, der in Fig. 3 in gestrichelten Linien ebenfalls dargestellt ist, wobei die Blickrichtung durch die Linie 3-3 in Fig. 5 angedeutet ist;

Fig. 4 eine Draufsicht auf die Siegelfläche einer bevorzugten Ausführungsform eines Vibrationsv/erkzeugs gemäss der Erfindung und

Fig. 5 eine Seitenansicht, gesehen von der Linie 5-5 in Fig. 4, zur Verdeutlichung eines unter Verwendung eines Vibrationswerkzeugs gemäss der Erfindung durchgeführten Versiegelungsvorgangs.

Fig. 1 zeigt einen Zuschnitt aus Papier bzw» Kartonmaterial mit einer thermoplastischen Beschichtung. Der gezeigte Zuschnitt dient der Herstellung eines Kartons mit einem Hohlkörper rechteckigen Querschnitts und mit Endverschlüssen an den beiden Enden des Hohlkörpers. Der Zuschnitt ist in eine Anzahl von Feldern unterteilt, welche beim aufgestellten Karton die Seitenwände und die Endverschlüsse bilden. Die Felder sind durch Ritz- bzw. Prägelinien begrenzt. Der den Hohlkörper bildende Hauptteil des Behälters wird durch vier Seitenfelder 15 gebildet, welche durch Heißsiegeln oder durch eine andere Art der Verklebung mittels eines Falzes 16, der an eines der Felder 15 angrenzt, miteinander verbunden werden.

Der Bodenverschluss des Kartons bzw. Behälters wird durch verschiedene rechteckige und dreieckige Felder 17 bis 24 gebildet. Nach dem Verkleben des Falzes 16 mit dem Rand des

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gegenüberliegenden Feldes 15 und nach Aufstellen des rohrförmigen Behälterrohlings werden die dreieckigen Felder 18 und 22 nach innen gefaltet, wobei die Felder 17 und 19 das Feld 18 überlappen, während die Felder 21 und 23 das Feld überlappen. Auf diese Weise ergeben sich dreieckige Bereiche der .doppelten Stärke bzw. Bereiche aus zwei Lagen des Kartonmaterials. Der dreieckige Bereich, der durch die Felder 17, 18 und 19 gebildet ist, besitzt eine Spitze 18a (Fig. 2) mit den Kanten 17a und 19a der Felder 17 bzw. 19, die über dem Feld 18 liegt und sich daran abstützt, wie dies Fig. 2 zeigt. In ähnlicher Weise ist auf der gegenüberliegenden Seite des Bodenverschlusses ein dreieckiger Bereich aus den Feldern 21, 22 und 23 vorhanden, der eine Spitze 22a besitzt, welche durch die Aussenkanten 21a und 23a der Felder 21 bzw. 23 begrenzt ist und über dem Feld 22 liegt und sich an diesem abstützt, wie dies ebenfalls Fig. 2 zeigt.

Wenn die dreieckigen Felder 18 und 22 nach innen in ihre in Fig. 2 gezeigte Lage, umgefaltet werden, gelangt die Kante 24a des Feldes 24 unter die Kante 20a des Feldes 20, so dass die Kanten bzw, Ränder 20a und 24a einander überlappen und auf entgegengesetzten Seiten der Spitzen 18a und 22a der dreieckigen Bereiche liegen. Die Spitzen 18a und 22a liegen folglich auf einer Mittellinie 14, welche den Bodenverschluss in zwei Hälften 15c, 15d teilt und durch die Kanten 17a, 19a, 21a und 23a begrenzt ist.

Das untere Ende 16a des Falzes 16 wird mit der Innenseite des Feldes 24 versiegelt, wie dies Fig. 2 zeigt.

Der Deckenverschluss des Behälters wird durch verschiedene

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rechteckige und dreieckige Felder an den den Bodenfeldern 17 bis 24 gegenüberliegenden Enden der Hauptfelder 15 gebildet. Einzelheiten des Deckenverschlusses des aus dem in Fig. 1 gezeigten Zuschnitts hergestellten Behälters sind in einer

Parallelanmeldung (amtl. Aktenzeichen P US-SN 420 427

vom 30.November 1973) der Anmelderin beschrieben. Im einzelnen besitzt der Deckenverschluss ein Paar von Dachfeldern, welche beim fertigen Behälter schräg nach oben gerichtet sind und zwischen denen innere Dreieckfelder 26 und 36 liegen. Eines der Dachfelder besteht dabei aus den Feldern 30 und 31, während das andere Dachfeld aus den Feldern 40 und 41 besteht. Ein Paar von dreieckigen Rückfaltfeldern 25 und 27 schliesst sich an die einander gegenüberliegenden Seiten des inneren dreieckigen Feldes 26 an, während sich in ähnlicher Weise ein Paar von dreieckigen Rückfaltfeldern 35 und 37 an die einander gegenüberliegenden Seiten des inneren dreieckigen Feldes 36 anschliesst. Wenn der Deckenverschluss in der in der oben zitierten Anmeldung beschriebenen Weise fertiggestellt ist, bilden das innere dreieckige Feld 36 und die angrenzenden Rückfaltfelder 35 und 37 eine aufstellbare Ausgusstülle. Die Felder 25, 26 und 27 sind an ihren oberen Enden mit inneren Rippenfeldern 28 und 29 versehen. Die die Ausgusstülle bildenden Felder 35, 36 und 37 sind an ihren oberen Enden mit inneren Rippenfeldern 38 und 39 versehen. Die die äusseren Dachfelder bildenden Felder 30, 31, 40 und 41 sind an ihren oberen Enden mit äusseren Rippenfeldern 32, 33, 42 und 43 versehen. Die äusseren Rippenfelder 32 und 33 sind mit einem nach oben überstehenden Siegelfalz 34 versehen, während die äusseren Rippenfelder 42 und 43 mit einem nach oben überstehenden Siegelfalz 44 versehen sind. Der Deckenverschluss wird, wie in der oben zitierten Anmeldung beschrieben, durch Versiegeln und Ver-

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schweissen der einander zugewandten Oberflächen der Siegelfalze 34 und 44 und der einander gegenüberliegenden Oberflächen der Felder 28, 29, 32 und 43 verschlossen, indem die thermoplastische Beschichtung der einander zugewandten Oberflächen erhitzt und zusammengepresst wird, wobei die Beschichtung zusammenfliesst und zu einer Verschweissung der genannten Felder nach Abkühlen des thermoplastischen Materials führt.

In Fig. 2 sind Bereiche mit unterschiedlicher Dicke bzw. mit einer unterschiedlichen Anzahl von Lagen durch eine Schraffur hervorgehoben. Im einzelnen besitzen die schraffierten Bereiche A1, Λ2 und A3 in Fig. 2 jeweils vier Materialschichten. Die Bereiche B1, B2, B3 und B4 bestehen aus drei Materialschichten, während die Bereiche C1 und C2 aus zwei Materialschichten bestehen. Die nicht schraffierten Bereiche D1 und D2 bestehen nur aus einer einzigen Schicht des Kartonmaterials,

In den Fig. 3,4 und 5 ist das Vibrationswerkzeug insgesamt mit dem Bezugszeichen 50 bezeichnet. Es besitzt einen länglichen Grundkörper mit rechteckigem Querschnitt, in welchem in Längsrichtung Öffnungen 52 und 54 vorgesehen sind, die der Abstimmung des Grundkörpers auf die gewünschte Vibrationsfrequenz dienen. Wie Fig. 5 zeigt, ist das obere Ende des Grundkörpers mit einer Gewindespindel 56 verschraubt. Das Horn bzw. das Vibrationswerkzeug 50 besitzt eine als Siegelfläche 57 dienende Stirnfläche mit einer über die Ebene dieser Stirnfläche überstehenden Rippenanordnung zum Einwirken auf und zum Verschliessen des BodenverSchlusses des oben erläuterten Behälters längs vorgegebener Bereiche durch Ultraschallverschweissung der verschiedenen Verschlussfelder desselben.

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Im einzelnen weist die Rippenanordnung zwei Sätze von konzentrischen Dreiecksgruppen auf. Der eine Satz umfasst ein äusseres Rippendreieck 58 und ein inneres Rippendreieck 60. Der andere Satz umfasst ein äusseres Rippendreieck 62 und ein inneres Rippendreieck 64. Der Satz von Dreiecksgruppen 58, liegt dem anderen Satz von Dreiecksgruppen 62, 64 derart gegenüber, dass die Spitzen der Rippendreiecke einander zugewandt sind und dass sich die Spitzen der äusseren Rippendreiecke 58 und 62 in der Nähe des Mittelpunktes der Siegelfläche 57 befinden.

Das äussere Rippendreieck 58 besitzt eine Basis 62 und zwei Schenkel 64 und 66. Die Schenkel 64 und 66 führen von der Spitze des äusseren Rippendreiecks 58 zu den beiden Enden der Basis 62. Das innere Rippendreieck 60 besitzt eine Basis 68 und zwei Schenkel 70 und 74. Das äussere Rippendreieck 59 besitzt eine Basis 63 und zwei Schenkel 65 und 67. Die Basis 63 verläuft längs einer Kante der Siegelfläche 57. Die Basis 62 des äusseren Rippendreiecks 58 verläuft längs der gegenüberliegenden Kante der Siegelfläche 57. Das zweite innere Rippendreieck 61 besitzt schliesslich eine Basis 69 und zwei Schenkel 71 und 73.

Zwischen den einander gegenüberliegenden Spitzen der Dreiecksgruppen liegen V-förmige Rippen 75 und 76, deren Spitzen einander zugewandt sind. Die V-förmigen Rippen 75 und 76 verlaufen vom Mittelpunkt der Siegelfläche 57 in entgegengesetzten Richtungen. Zwischen den Schenkeln der V-förmigen Rippe 75 liegt ferner eine über die Grundfläche der Siegelfläche 57 überstehende Dreieckfläche 77. In entsprechender Weise liegt

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eine Dreieckfläche 78 zwischen den Schenkeln der V-förmigen Rippe 76. Die Spitzen bzw. Scheitel der V-förmigen Rippen und 76 sind miteinander verbunden, wie dies aus Fig. 4 deutlich wird.

Zur Anpassung an die aus vier Lagen aufgebauten Bereiche A1 des Bodenverschlusses gemäss Fig. 2 sind die zentralen Bereiche 62a und 68a der Schenkel 62 bzw. 68 bezüglich der Siegelfläche 57 niedriger ausgebildet. In ähnlicher Weise sind die Bereiche 64a und 66a der Schenkel des Rippendreiecks 58 angrenzend an die Spitze zur Anpassung an den aus vier Lagen bestehenden Bereich A1 niedriger ausgebildet. Auch die Bereiche 70a und 72a der Schenkel 70 und 72 sind im Hinblick auf den vierlagigen Bereich A1 niedriger ausgebildet.

Die in der Zeichnung rechten Enden 63a und 69a der Basis 63 bzw. 69 besitzen ebenso wie die unteren rechten Enden 65b und 71b der Schenkel 65 bzw. 71 eine verringerte Höhe zur Anpassung an die vierlagigen Bereiche A2 und A3 in Fig. 2. In ähnlicher Weise sind die Bereiche 65a, 67a, 71a und 73a der Schenkel 65, 67, 71 bzw. 73 im Hinblick auf den vierlagigen Bereich A2 in Fig. 2 niedriger ausgebildet.

Die V-förmigen Rippen 75 und 76 besitzen, wie die Dreieckflächei 77 und 78_/bezüglich der Grundfläche der Siegelfläche 57 die gleiche Höhe wie die Bereiche 62a, 68a, 64a, 66a, 70a, 72a, 65a, 67a, 71a, 73a, 63a, 69a, 65b und 71b der Schenkel bzw. Basen.

Wenn der Zuschnitt zur Bildung eines Behälterrohlings aufgerichtet und auf einen Dorn 8O aufgesetzt ist (Fig. 5), werden

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die Felder 17 bis 28 des Zuschnitts umgefaltet, um einen Bodenverschluss gemäss Fig. 2 herzustellen. Der Dorn 80 gemäss Fig. 5 besitzt eine glatte Stirnfläche und liegt an der Innenseite des Bodenverschlusses an. Das Vibrationswerkzeug 50 wird dann derart gegen die Aussenseite des Bodenverschlusses angelegt, dass die Rippenanordnung bezüglich der einzelnen Felder des Bodenverschlusses die aus Fig. 3 ersichtliche Lage einnimmt. Das Vibrationswerkzeug ist Bestandteil eines Ultraschallwandlers, der in den US-Psen 3,432,691 und 3,526 792 beschriebenen Art, welcher zur Umwandlung elektrischer in mechanische Energie geeignet ist. Das Vibrationswerkzeug 50 setzt die mechanische Energie In Schwingungen der gewünschten Frequenz um. Wenn die über die Grundfläche der Siegelfläche 57 vorstehende Rippenanordnung die Aussenseite der Felder des Bodenverschlusses erfasst, wird das Vibrationswerkzeug für eine vorgegebene Zeit zu Schwingungen mit einer Frequenz veranlasst, die eine ausreichende Erwärmung der thermoplastischen Beschichtung in den von der Rippenanordnung erfassten Bereichen zur Folge hat, so dass die thermoplastische Beschichtung zu f Hessen beginnt. Wenn die Schwingungen des Vibrationswerkzeugs 50 dann beendet werden, kühlt sich das thermoplastische Material ab, wobei die einzelnen Lagen des Bodenverschlusses bzw. die übereinanderliegenden Felder entsprechend dem Muster der Rippenanordnung fest miteinander verschweissen. Wie Fig. 3 zeigt, ergibt sich ein Schweiss- bzw. Versiegelungsmuster in Form einer "Fliege", welches aus zwei einander gegenüberliegenden Sätzen von Dreiecksgruppen mit dazwischenliegenden V-förmigen Rippen 75 und 76 und Dreiecksflächen 77 und 78 gebildet ist.

Wenn man das Vlbrationswerkzeug 50 beispielsweise mit einer

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Frequenz von 20.000 Hz schwingen lässt, dann ist für das Verschweissen eines Kartons mit thermoplastischer Beschichtung der hier betrachteten Art eine Vibrationsdauer zwischen 0,1 und 0,5 Sekunden erforderlich, um das thermoplastische Material zum Fliessen zu bringen. Anschliessend an die Vibrationszeit von 0,1 bis 0,5 Sekunden kann das Vibrationswerkzeug für eine Dauer zwischen 0,5 und 1,5 Sekunden mit dem Boden- -Verschluss des Behälters in Kontakt gehalten werden, damit das thermoplastische Material abkühlen kann und eine vollständige Versiegelung längs der von der Rippenanordnung erfassten Bereiche erfolgt. Es versteht sich, dass die vorstehenden Zahlenangaben bezüglich der Schwingfrequenz und der einzelnen Arbeitszeiten lediglich als Beispiele zu betrachten sind.

Wie aus Fig. 3 deutlich wird, wird zwischen den verschiedenen Lagen des Bodenverschlusses eine Versiegelung geschaffen, welche die Form der Rippenanordnung der Siegelfläche 57 des Vibrationswerkzeugs 50 hat. Das thermoplastische Material wird überall dort erwärmt und verschmolzen, wo das Vibrationswerkzeug die Oberfläche des Bodenverschlusses berührt, wobei die Kontaktbereiche durch die Form der Rippenanordnung, welche über die Grundfläche der Siegelfläche 57 vorsteht, bestimmt wird.

Es versteht sich, dass je nach Form des zu versiegelnden Behälters oder Kartons und je nach Aufbau des Bodenverschlusses desselben hinsichtlich der Form und Lage der Rippenanordnungen zahlreiche Abwandlungen des Vibrationswerkzeugs vorgenommen werden können, ohne dass dabei der Grundgedanke der vorliegende Erfindung verlassen werden müsste.

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Claims

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Patentansprüche :

Vibrationswerkzeug zur ültraschallversiegelung von Kartons oder dergleichen mit thermoplastischer Beschichtung, gekennzeichnet durch einen Grundkörper mit einer mit einer überstehenden Rippenanordnung (59,60, 75,76,77,78,58,61) versehenen Siegelfläche (57) sowie dadurch, dass die Rippenanordnung zwei einander gegenüberliegende Dreiecksgruppen (58,60; 59,61) aufweist.
2. Vibrationswerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippenanordnung zwei einander gegenüberliegende V-förmige Rippen (75,76) aufweist, die zwischen den einander zugewandten Spitzen der Dreiecksgruppen (58,60; 59,61) liegen.
3. Vibrationswerkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Schenkeln jeder der V-förmigen Rippen (75,76) jeweils eine überstehende Dreiecksfläche (77,78) vorgesehen ist.
4. Vibrationswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dreiecke (58,60; 59,61) der Dreiecksgruppen im Bereich ihrer Schenkel und Basen Bereiche verringerter Höhe aufweisen.
5. Vibrationswerkzeug nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die V-förmigen Rippen (75,76) sowie die Dreiecksflächen. (77,78) die gleiche Höhe besitzen, wie die Bereiche verringerter Höhe der Dreiecke (58,60; 59,61) .

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