DE2550464A1 - Verfahren und vorrichtung zum verschweissen von hohlkoerpern mittels ultraschall - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum verschweissen von hohlkoerpern mittels ultraschall

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DE2550464A1
DE2550464A1 DE19752550464 DE2550464A DE2550464A1 DE 2550464 A1 DE2550464 A1 DE 2550464A1 DE 19752550464 DE19752550464 DE 19752550464 DE 2550464 A DE2550464 A DE 2550464A DE 2550464 A1 DE2550464 A1 DE 2550464A1
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Description

  • Verfahren und Vorrichtung zum Verschweißen von Hohlkörpern
  • mittels Ultraschall Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen des offenen Endes von Hohlkörpern, insbesondere aus Kunststoff, mittels Ultraschall, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens an einer Füll- und Verschließmaschine. Vorzugsweise sollen Kunststofftuben nach dem Füllen verschlossen werden.
  • Kunststofftuben, vorzugsweise solche aus Polyäthylen, werden heute zum Verschließen bzw. Verschweißen ihrer offenen Enden fast ausschließlich durch Einwirkung von Strahlungswärme auf Plastifizierungstemperatur gebracht. Dies wird dadurch erreicht, daß die zu verschweißenden Tubenenden im zusammengedrückten Zustand mehrere Sekunden lang eine elektrisch beheizte Strecke durchlaufen. Ist die zum Verschweißen notwendige Temperaturerhöhung erreicht, wird die Schweißstelle in einer vorzugsweise durch Wasser gekühlten Preßstation zusammengedrückt und gleichzeitig so weit abgekühlt, daß eine ausreichende Festigkeit erreicht wird.
  • Es ist weiter ein Verfahren bekannt, bei dem zum Erwärmen des zum Verschweißen vorgesehenen Tubenendes elektrisch beheizte Backen verwendet werden, wobei die benötigte Wärmemenge durch Berührung von den beheizten Backen auf den zu erwärmenden Gegenstand übergeht (Wärmekontaktschweißung).
  • Kunststoff-Hohlkörper, insbesondere Kunststofftuben, die zum Befüllen mit dafür geeigneten Medien bestimmt sind, werden heute vorzugsweise, aber nicht ausschließlich, aus nur einem einzigen Werkstoff hergestellt. In bestimmten Fällen, beispielsweise wenn erhöhte Aromadichte verlangt wird, werden Hohlkörper bzw. Tuben verwendet, deren Wände aus mehreren Schichten bestehen, z.B. aus äußeren und inneren Kunststoffschichten mit einer dazwischenliegenden Metallschicht. Zum Verschweißen solcher Hohlkörper sind die zuvor beschriebenen Verfahren (Wärmeübertragung durch Strahlung oder BerUhrung) nicht geeignet. Solche Hohlkörper werden beispielsweise durch ein Verfahren verschweißt, bei dem hochfrequente elektrische Energie in den Gegenstand induziert wird, wodurch die Erwärmung bewirkt wird.
  • Alle vorstehend beschriebenen Verfahren haben Jedoch den Nachteil, daß sie nur für bestimmte Kunststoffarten anwendbar sind.
  • Darüber hinaus sind z.B. die mit Wärmestrahlung oder Wärmekontakt arbeitenden Verfahren sehr empfindlich gegen Verschmutzung der Schweißstelle durch das eingefüllte Produkt.
  • Weiterhin beeinflußt die Laufgeschwindigkeit der mit Wärmestrahlung arbeitenden Maschine die Erwärmung der Schweißstelle.
  • Bei einem Stillstand der Maschine wird der Aufheizprozeß dahingehend gestört, daß zur Vermeidung von überhitzungen die Wärmestrahler aus dem Bereich der zu erwärmenden Hohlkörper entfernt werden müssen. Wird die Füll- und Verschließmaschine anschließend wieder in Betrieb genommen, so fallen ein oder mehrere unverschlossene Hohlkörper an, die von Hand oder durch geeignete Zusatzvorrichtungen aus dem Verpackungsprozeß ausgeschieden werden müssen, was bei der heute geforderten vollautomatischen Verpackung nicht tragbar ist. Die zuletzt geschilderten Nachteile sind übrigens allen Verfahren zu eigen, die zum Erwärmen und Pressen mit anschließendem Abkühlen der Schweißstelle mehrere Haltestationen einer Füll- und Verschließmaschine benötigen.
  • Zum Verschweißen von Kunststoff-Hohlkörpern hat das Ultraschall-Verfahren eine gewisse Bedeutung erlangt. Hierbei werden auf die zur Erwärmung vorgesehene Stelle des Hohlkörpers mechanische Schwingungen mit einer Frequenz, die über der Hörbarkcitsgrenze liegt, aufgebracht, Die Schwingungen werden durch den Werkstoff absorbiert und durch innere Reibung der Moleküle in Wärme umgesetzt.
  • Das Ultraschall-Schweißverfahren hat den Vorteil, daß es für Hohlkörper aus allen Kunststoffen geeignet ist, auch für solche mit mehrschichtigen Wänden. Die Verschweißung kann in einer einzigen Station der Füll- und Verschließmaschine fertiggestellt werden. Somit entsteht auch bei Unterbrechungen des Maschinenbetriebes keine Beeinflussung der Güte der Schweißstelle. Beim Anhalten der Maschine ergeben sich also keine offenen oder überhitzten Enden an den Hohlkörpern. Austretende Füllgutreste beeinträchtigen im allgemeinen die Festigkeit der Schweißung nicht.
  • Die Dauer des Schweißvorganges kann mittels Zeitschaltgeräten präzise gesteuert werden, und sie unterliegt keiner Beeinflussung durch die Maschinengeschwindigkeit. Für das Ultraschall-Schweißverfahren ist ein geringerer Energiebedarf als für andere Schweißverfahren erforderlich, und es ist keine zusätzliche Kühlung nötig.
  • Daß das Ultraschall-Schweißverfahren bisher nicht in größerem Umfang zur Verarbeitung von Kunststoff-Hohlkörpern eingesetzt worden ist, liegt daran, daß bisher keine besonders hohen Taktzahlen (Verschweißungen pro Zeiteinheit) zu erreichen waren.
  • Außerdem wurde das Aussehen der Schweißstelle dadurch ungünstig beeinflußt, daß die verschweißten Enden nachträglich beschnitten werden mußten. Das Beschneiden des noch in einem gewissen Erwärmungszustand befindlichen Endes stellt besondere Anforderungen an die Schneidvorrichtung. Eine weitere Schwierigkeit ergab sich durch die Notwendigkeit, die verschieden breiten Abschnitte restlos aus dem Arbeitsbereich der Füll- und Schließmaschine zu entfernen.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile des Ultraschall-Schweißverfahrens zu beseitigen, insbesondere also eine erheblich höhere Taktzahl als bisher und ein einwandfreies Aussehen der fertigen Schweißstelle zu -erreichen.
  • Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine höhere Taktzahl durch die im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen erreicht.
  • Damit kann die Zeit, die für den gesamten Schweißprozeß (Aufheizen auf Plastifizierungstemperatur und anschließendem Abkühlen bis zum Wiederreichen des festen Aggregatzustandes des Werkstoffs) notwendig ist über den Zeitraum hinaus verlängert werden, der während des Verharrens des Hohlkörpers in der eigentlichen Schweißstation zur Verfügung steht. In der Schweißstation muß also nur noch das Aufheizen mittels Beschallung vorgenommen werden, während das anschließende Abkühlen auf die Bewegungsphase des Hohlkörpers zwischen der Schweißstation und einer nachfolgenden Bearbeitungsstation und zum Teil auf die Zeitdauer verlegt werden kann, in der sich der Gegenstand in der nachfolgenden Bearbeitungsstation befindet.
  • Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an einer Füll- und Verschließmaschine mit einer Ultraschall-Schweißeinrichtung ist im Anspruch 3 gekennzeichnet.
  • Diese zusätzliche Klemmvorrichtung wird während des Verharrens des Hohlkörpers in der Schweißstation an diesen herangeführt und erfaßt mit ihren Klemmbacken während oder gegen Ende der Beschallungsphase (AuSheizphase, Plastifizierung) das Ende des Hohlkörpers zwischen dessen gefülltem Teil und den Ultraschall-Schweißwerkzeugen und drückt auf diese Weise die Schweißstelle zusammen. Vor Beginn der Bewegung des Hohlkörpers zur nächsten Bearbeitungsstation bewegen sich die Schweißwerkzeuge auseinander, die zusätzliche Klemmvorrichtung hält Jedoch weiterhin das zu verschweißende Ende des Hohlkörpers in zusammengedrückt ern Zustand und bewegt sich mit dem Hohlkörper bis zu der nächsten Bearbeitungsstation, die an der Füll- und Schließmaschine auf die Schweißstation folgt. Dort verharrt die Klemmvorrichtung an dem zu verschweißenden Ende des Hohlkörpers und hält dieses Ende zusammengedrückt bis zu dem Zeitpunkt, wo die Klemmung gelöst wird. Die Klemmvorrichtung kann dann in geöffnetem Zustand an den nachfolgenden, zu diesem Zeitpunkt bereits in der Schweißstation befindlichen Hohlkörper zurückgebracht werden, so daß sich der geschilderte Vorgang wiederholen kann.
  • Die Stillstandszeit des Hohlkörpers in der Schweißstation kann also wesentlich verkürzt werden, und die zum Abkühlen und Erstarren der Schweißstelle notwendige Zeit kann über die Stillstandszeit des Hohlkörpers in den einzelnen Stationen hinaus verlagert werden, weil durch das Mit laufen der Klemmvorrichtung die Bewegungsphase der Hohlkörper ausgenutzt werden kann. Auf diese Weise kann die Zeit, während der das zu verschweißende Ende geklemmt und gehalten wird, wesentlich verlängert werden, so daß die Schweißstelle nicht infolge von Rückstellkräften oder noch nicht abgeschlossener Erhärtung wieder aufplatzen kann. Gleichzeitig wird, wegen des verkürzten Aufenthalts der Hohlkörper in der Schweißstation, die Taktzahl wesentlich gesteigert.
  • Die angestrebte Verbesserung des Aussehens der fertigen Schweißstelle kann erfindungsgemäß durch das in Anspruch 2 angegebene Verfahren erreicht werden. Nach dem Einfahren des Hohlkörpers in die Schweißstation kann also schon vor und/oder während des Schließens der Schweißwerkzeuge bzw. vor und/oder während des Beginns der Beschallung der Hohlkörper mit seinem noch offenen Ende gegen einen Anschlag gedrückt werden. Dies kann durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 6 erfolgen. Damit können Längentoleranzen der Hohlkörper oder ein ungenauer Sitz der Hohlkörper in den Haltern der Füll- und Schließmaschine ausgeglichen werden, so daß die Schweißung immer genau an derselben Stelle in Bezug auf das Ende des Hohlkörpers ausgeführt wird. Weiter wird dadurch verhindert, daß plastifizierter Werkstoff nach außen tritt und das Aussehen der fertigen Schweißung ungünstig beeinflußt.
  • Es ergibt sich eine bisher nicht gekannte Sauberkeit der Schweißstelle. Eine nachträgliche Bearbeitung, z.B. durch Beschneiden, ist nicht erforderlich.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung beschrieben: Fig. 1 zeigt im lotrechten Schnitt schematisch eine Schweißstation einer Tubenfüll- und -verschließmaschine.
  • Fig. 2 zeigt eine Draufsicht der Schweißstation in der Stellung, in der der Schweißvorgang durchgeführt wird und die Tube durch die zusätzliche Klemmvorrichtung übernommen wird.
  • Fig. 3 zeigt eine Draufsicht der Schweißstation in der Stellung, die diese einnimmt, wenn die Klemmvorrichtung die geschweißte Tube aus der Schweißstation entnommen hat und mit ihr in die nächste Arbeitsstation belaufen ist.
  • Anhand des dargestellten Ausführungsbeispieles wird die Erfindung im Zusammenhang mit dem Verschweißen des offenen Endes von Tuben 3 erläutert.
  • Gemäß Figur 1 weist die Ultraschall-Schweißstation zwei Schweißwerkzeuge auf, nämlich den sog. Amboß 1 und die sog. Sonotrode 2. Diese sind in bekannter Weise in Pfeilrichtung aufeinander zu und voneinander weg verschiebbar angeordnet. Wenn die zu verschweißende Tube 5 mit ihrem offenen Ende Da in die Schweißstation gelangt ist, werden Amboß 1 und Sonotrode 2 aufeinander zu in dem Sinn bewegt, daß sie das vorher zylindrische Tubenende 3a zusammendrücken. Während dieser Bewegung von Amboß 1 und Sonotrode 2 führt ein Stößel 4, der in einem Lager 5 axial in Längsrichtung der Tube verschiebbar gelagert ist und sich über eine Druckfeder 6 auf dem Lager 5 abstützt, eine Bewegung in Pfeilrichtung in Richtung auf die Schweißstation bzw. in Richtung auf das offene Ende 3a der Tube 3 aus. Diese Bewegung ist so ausgelegt, daß der Stößel 4 seinen oberen Totpunkt erreicht hat, bevor Amboß 1 und Sonotrode 2 in ihrer gegenseitigen Bewegung sich so weit einander angenähert haben, daß sie das Tubenende vollständig zusammengedrückt bzw. flachgedrückt haben.
  • Dadurch wird erreicht, daß die Tube ), die in bekannter Weise in einem Tubenhalter 7 lotrecht gehalten wird, um einen geringen Betrag nach oben geschoben wird, wobei ihr offenes Ende gegen einen Anschlag 8 gedrückt wird.
  • Wenn diese in Figur 1 dargestellte Stellung erreicht ist, beginnt der eigentliche Schweißvorgang, der aus dem Erwärmen des Tubenwerkstoffs auf Plastifizierungstemperatur und anschließendes Abkühlen bis zum Erstarren besteht. Das Erwärmen wird in bekannter Weise dadurch bewirkt, daß die Sonotrode 2 mechanische Schwingungen ausführt, die durch handelsübliche Bauteile erzeugt werden. Die Schwingungen werden vom Tubenwerkstoff absorbiert und durch innere Reibung in Wärme umgesetzt. Der Amboß 1 wirkt gegenüber der Sonotrode 2 als Gegenhalter. Die notwendige Einwirkzeit der Ultraschall-Schwingungen (Beschallungsphase) ist abhängig von dem zu verschweißenden Werkstoff und wird in bekannter Weise durch ein handelsübliches Zeitschaltgerät gesteuert.
  • Am Ende der Beschallungsphase wird eine Klemmvorrichtung mit Klemmbacken 9 und 10 kurz unterhalb der Schweißvorrichtung 1, 2 an das Ende 3a der Tube 3 herangeführt und geschlossen. Dabei gehen die Klemmbacken von der bei 9' und 10' gezeigten Stellung in die mit vollen Linien gezeichnete Klemmstellung 9, 10 über. Da nun das im Schweißprozeß befindliche Tubenende 3a fest zwischen den Backen 9 und 10 der Klemmvorrichtung eingeklemmt und gehalten ist, können nun Amboß 1 und Sonotrode 2 in gegenläufiger Richtung voneinander weg bewegt werden. Dabei verhindert die Klemmvorrichtung mit den Klemmbacken 9, 10, daß sich das Tubenende 3a wieder öffnet, obwohl ein solches Öffnen aufgrund der Rückstellkräfte der Tube 3 beim Entfernen der Schweißvorrichtung die normale Folge wäre, da zu diesem Zeitpunkt der Tubenwerkstoff noch nicht wieder erstarrt ist.
  • Anhand von Figur 2 wird nun die Beschreibung des Arbeitsablaufes fortgesetzt. Dargestellt ist hier der Zeitpunkt kurz nach der Beschallungsphase, wenn die Klemmvorrichtung mit den Backen 9, 10 die in der Schweißstation 1, 2 befindliche Tube 3 am Tubenende 3a erfaßt hat und Amboß 1 und Sonotrode 2 im Begriff sind, auseinanderzugehen. Wenn anschließend diese Bewegung so weit durchgeführt ist (wie es auch in Figur 3 ersichtlich ist), daß die noch im Schweißprozeß befindliche Tube 3 ungehindert aus der Schweißstation 1, 2 heraus weitertransportiert werden kann, fördert die Transportvorrichtung der Tubenfüll- und -schließmaschine, hier schematisch als Schaltteller mit mehreren auf einem Kreis angeordneten Tubenhaltern 7 dargestellt, die Tube 3 in Pfeilrichtung im Uhrzeigersinn in die nächste Arbeitsstation. Während dieser Transportphase führt die Klemmvorrichtung, deren Backen 9 und 10 das verschweißte Tubenende 3a halten, gegenüber dem Jeweiligen Tubenhalter mit der Tube 3 eine abstands- und geschwindigkeitsgleiche Bewegung derart aus, daß in dieser Transportphase keine Relativbewegung zwischen den Klemmbacken 9 und 10 der Klemmvorrichtung und der Tube 3 bzw. deren Tubenhalter 7 entsteht. Dies wird dadurch erreicht, daß die Klemmvorrichtung mit den Backen 9, 10 an Führungselementen (FUhrungsplatte 11 und Führungsbahn 12) verschiebbar gelagert ist, wobei die Führungsbahn 12 parallel zu der kreisbogenförmigen Transportbahn der Tube 3 verläuft. Durch eine Zugstange 13 wird die Führungsplatte 11 längs der Führungsbahn 12 bewegt, beispielsweise mittels eines Antriebshebels von einer Kurvenscheibe aus. Die Führungselemente 11, 12 und die weiteren, nicht näher dargestellten Antriebselemente, sind in einem Maschinengehäuse 14 gelagert.
  • In Figur 3 ist der weitere Bewegungsablauf dargestellt. Die Klemmvorrichtung mit den Klemmbacken 9, 10 ist nun zusammen mit der verschweißten Tube 3 in die auf die Schweißstation folgende nächste Arbeitsstation gelangt. Amboß 1 und Sonotrode 2 stehen in geöffneter Stellung, so daß die nächste zu verschweißende Tube 3' in die Schweißstation gelangen kann. Anschließend wiederholt sich der bereits beschriebene Vorgang.
  • Es wird also die Tube 3' auf Plastifizierungstemperatur erwärmt.
  • Zu diesem Zeitpunkt wird die Klemmvorrichtung mit den Backen 9, 10, die noch immer die vorher verschweißte Tube 3 halten, geöffnet und zu der Schweißstation zurückbewegt, um rechtzeitig vor dem Auseinandergehen von Amboß 1 und Sonotrode 2 die Tube 3' zu übernehmen.

Claims (6)

  1. PATENTANSPRÜCHE f Verfahren zum Verschweißen des offenen Endes von Hohlkörpern, insbesondere aus Kunststoff, mittels Ultraschall, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß während oder gegen Ende der Beschallungsphase (Aufheizphase) das zu verschweißende offene Ende (3a) zusätzlich eingeklemmt wird und daß diese Klemmung über das Ende der Aufheizphase hinaus aufrechterhalten wird, während der Hohlkörper (3) aus dem Beschallungs- und Aufheizbereich hinaus weiterbewegt wird.
  2. 2. Verfahren, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß vor der Beschallung und/oder während des Beginns der Beschallung das zu verschweißende offene Ende (3a) quer zur Beschallungsrichtung in Axialrichtung des Hohlkörpers gegen einen Anschlag (8) gedrückt wird.
  3. 3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 an einer Füll- und Verschließmaschine mit einer Ultraschall-Schweißeinrichtung mit zwei gegeneinander beweglichen Schweißbacken zur Erwärmung des zu verschweißenden offenen Endes, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß eine zusätzliche Vorrichtung (9, 10) zum Einklemmen des offenen Endes (3a) vorgesehen ist und daß diese Klemmvorrichtung gemeinsam mit dem Hohlkörper (3) quer zur Bewegungsrichtung der Schweißbacken (1, 2) bewegbar ist.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Klemmvorrichtung (9, 10) an Führungselementen (11, 12) gelagert ist, die parallel zur Bewegungsbahn des Hohlkörpers (3) verlaufen, und daß die Klemmvorrichtung (9, 10) durch Antriebselemente (13) abstands- und bewegungsgleich mit den Transportmitteln (7) des von ihr erfaßten Hohlkörpers (3) bewegbar ist.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Klemmvorrichtung (9, 10) mittels der Führungs-und Antriebselemente (11, 12, 13) Jeweils nach Erfassen des zu verschweißenden Endes (3a) eines Hohlkörpers (3) in Transportrichtung der Hohlkörper (3) bewegbar und Jeweils nach Freigabe eines verschweißten Endes eines Hohlkörpers entgegen der Bewegungsrichtung der Ho#hlkörper in die Ausgangsstellung zurückbewegbar ist.
  6. 6. Vorrichtung, insbesondere nach Anspruch 3, zur Durchführung des Verfahrens insbesondere nach Anspruch 2, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß eine Einrichtung (Stößel4) zum Verschieben des Hohlkörpers (3) in Richtung auf dessen offenes Ende (3a) hin und zwischen den Schweißbacken (1, 2) hindurch vorgesehen ist, und daß Jenseits der Schweißbacken (1, 2) ein Anschlag (8) für das offene Ende (3a) angeordnet ist.
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