DE4126557A1

DE4126557A1 - Ultraschallschweissen bei der herstellung von beuteln

Info

Publication number: DE4126557A1
Application number: DE4126557A
Authority: DE
Inventors: Jean Marie Denis
Original assignee: Colgate Palmolive Co
Current assignee: Colgate Palmolive Co
Priority date: 1990-08-13
Filing date: 1991-08-10
Publication date: 1992-02-20
Also published as: FR2665683A1; GR910100347A; CN1028625C; NZ239048A; ITRM910607A1; EG19261A; ITRM910607A0; HUT66006A; AU649462B2; JPH04253621A; FR2665683B1; PT98653A; CA2048928A1; AU8164991A; KR920004123A; HU912681D0; MY107958A; ZA915599B; ES2052417B1; ES2052417A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfah ren für die Herstellung gefüllter Beutel aus Folien unter Anwen dung der Ultraschallschweißung. Spezieller bezieht sich diese Erfindung auf die Verwendung einer Ultraschallschweißvorrichtung, um Beutel durch das Verschweißen von Nähten aus Folien zu bilden und auch die Folien zu trennen, um einzelne Beutel zu bilden.

Es kommen unterschiedliche Techniken zur Herstellung von Beuteln aus Folien zur Anwendung. Ohne Rücksicht auf die Technik müssen Verschweißungen vorgenommen werden. Die flache Folie muß dabei so manipuliert werden, daß sowohl ein Vorderteil als auch ein hinteres Teil geliefert wird.

Dieses kann auf verschiedene Weise erfolgen.

Eine Art und Weise besteht darin, zuerst die Folie zu einem Schlauch zu formen und anschließend den Schlauch zu Beuteln auszubilden. Bei dieser Technik ist die Formung der Folie zu einem Schlauch mit einer Längsnaht verbunden, während die Aus bildung zu einem Beutel eine Endverschweißung des Schlauches bedingt.

Ein Vorteil dieser Technik besteht darin, daß während der Her stellung des Beutels aus dem Schlauch der Beutel gefüllt werden kann.

Gemäß dem bekannten Stand der Technik gibt es verschiedene Vorrichtungen, um Folien zur Herstellung von Beuteln zu ver schweißen.

Es sind beheizbare Preßplatten bekannt, um thermoplastische Folien zu verschweißen. Auch die Anwendung der elektrischen Heizung als Hochfrequenz-(HF-) Beheizung ist bekannt. Jedoch hat die Anwendung der Ultraschallschweißung Vorteile gegenüber allen diesen Techniken, insbesondere bei den Form/Füll-Arbeitsfolgen.

Wenn Klebstoffe verwendet werden, gibt es Probleme bei der Beseitigung des Lösungsmittels. Darüber hinaus sind zusätzliche Zeiten für den Aushärtevorgang notwendig.

Die Verwendung einer beheizbaren Preßplatte ist nicht effektiv, da die Folie durch Leitung erwärmt werden muß. Bei der HF- Energie wird die volle Dicke der Folie eher erhitzt, als die Folienoberfläche. Dies sorgt für eine gute Verschweißung, ist aber auf Folien beschränkt, die eine ausreichende Menge an HF- Energie absorbieren, um zu erweichen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, da ja die volle Dicke der Folie erhitzt wird, daß es zu einer Überhitzung der Folie und damit zu Ablagerungen von Teilen der Folie, als Austrieb bekannt, auf die Elektroden kommt. Dieses beeinträchtigt anschließend die Schweißung, die mit ungereinigten Elektroden hergestellt wird.

Es ist festgestellt worden, daß die Anwendung der Ultraschall schweißung für die Herstellung von Beuteln aus thermoplastischen Folien eine Verbesserung gegenüber der Anwendung von Klebstoffen, erhitzten Preßplatten oder HF-Energie ist. Bei der Ultraschallschweißung werden nur die zu verbindenden Oberflächen erwärmt. Die volle Dicke der Folie wird nicht erwärmt. Damit sind verschiedene Vorteile verbunden. Es können Folien, die keine ausreichend hohe Absorbtion gegenüber HF-Energie aufweisen, verwendet werden, um die Beutel herzustellen. Dem Problem der Austriebsbildung wird ebenfalls vorgebeugt, da nur an Stoßoberflächen Wärme erzeugt wird.

Es ist darüber hinaus festgestellt worden, daß die Anwendung der Ultraschallschweißung deutliche Vorteile bei Form/Füll-Vorgängen hat. Es sind dies Vorgänge, bei denen der Beutel bei seiner Herstellung gefüllt wird. Ein Problem bei Form/Füll-Vorgängen für Beutel besteht darin, daß während der Füll-Arbeitsfolge das Produkt mit dem zu verschweißenden Bereich des Beutels in Berüh rung kommt. Bei anderen Verschweißungsarten, die HF- Verschweißung eingeschlossen, kann dies geschwächte Schweißnähte erzeugen. Die Ultraschallschweißung bewirkt jedoch eine Reinigung der zu verbindenden Oberflächen vor dem Verschweißen. Dieses wird durch eine Schwingung von Oberfläche zu Oberfäche erreicht. Daraus resultieren deutliche Vorteile bei den Form/Füll-Vorgängen bei der Anwendung der Ultraschallschweißung, sie erzeugt stets eine hochfeste Schweißverbindung.

Ultraschalltechniken kommen bei der Verbindung der unterschied lichsten Materialien zur Anwendung. Sie wurden auch bei der Herstellung von Säcken und Beuteln verwendet. Im US-Patent 47 34 142 wird eine Sack-Verschweißmaschine beschrieben, welcher ein Ultraschallschweißverfahren zugrunde liegt. Der herzustellende Sack nimmt Fleisch oder Naturprodukte auf.

Gemäß US-Patent 47 67 492 ist die Anwendung von Ultraschall technik für das Verschweißen rohrförmiger Behälter bekannt. Diese Behälter werden nach dem Füllen in einem gesonderten Verfahrensschritt verschweißt. US-Patent 48 66 914 beschreibt ein Ultraschallgerät für das Verschweißen von Beuteln. Ein Produkt wird in den Beutel gebracht und dieser anschließend in einem weiteren Schritt mittels Ultraschall verschweißt. Es wird bei diesem Patent vermerkt, daß irgendwelche Fremdsubstanzen, die an den zu verschweißenden Oberflächen anhaften, während des Verschweißens entfernt werden. Die genannten Patente veranschaulichen den bekannten Stand der Technik des Verschweißens von Beuteln mittels Ultraschall. Jedoch ist keines der beschriebenen Lösungen auf die Anwendung des Ultraschallschweißens während einer Form/Füll-Arbeitsfolge gerichtet.

Es ist auch bekannt, einen Ultraschall-Elektrodenarm und einen Amboß zu benutzen, um eine Folie sowohl zu verschweißen als auch zu schneiden. Im US-Patent 39 39 033 wird ein Verfahren beschrieben, bei welchem die stationäre Spannvorrichtung ein erstes erhöhtes Mittel für das Verschweißen und ein zweites erhöhtes Mittel zum Schneiden hat. Das bedeutet, daß das Verschweißen und das Schneiden nicht von derselben Fläche ausgeführt wird.

Es ist jedoch festgestellt worden, daß sowohl das Verschweißen als auch das Schneiden von derselben Fläche ausgeführt werden kann, was zu einer effektiveren Ultraschalleinheit führt.

Die Vorteile der Erfindung liegen in der Anwendung des Ultra schallschweißens beim Formen und Füllen eines Beutels aus Thermoplast. Die Ultraschallschweißung hat gegenüber der Verwendung von Klebstoffen, der Erwärmung durch Leitung oder der dielektrischen Erwärmung Vorteile. Ein deutlicher Vorteil ist die Fähigkeit, gleichzeitig die Oberfläche der Folie, die Bestandteil der Verschweißung ist, zu reinigen, während sie mindestens auf ihren Schmelzpunkt erhitzt wird. Dieses ist von Bedeutung bei Form/Füll-Arbeitsfolgen, bei denen der Beutel in derselben Arbeitsfolge geformt und gefüllt wird. Bei solchen Verpackungsoperationen wird die zu verpackende Substanz, gewöhnlich eine Flüssigkeit, einen Teil des zu verschweißenden Bereiches verunreinigen, wenn sie in den offenen Beutel eingefüllt wird. Um eine gute Verschweißung zu gewährleisten, sollte dieser Bereich sauber gehalten werden.

Dieses kann auf unterschiedliche Weise erreicht werden. Am effektivsten ist die Anwendung des Ultraschallschweißens. Dieses Verfahren gewährleistet die Reinigung des zu verschweißenden Bereiches während des Schweißvorganges.

Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung einer Ultraschall-Schweißeinheit, welche einen Ultraschall-Elektroden arm und einen Amboß für den doppelten Zweck der Verschweißung einer Folie und des Schneidens einer Folie umfaßt. Diese wird durch dieselben Oberflächen des Ultraschall-Elektrodenarms und des Ambosses erreicht. Die geformte Schneidfläche ist vorzugs weise ein Teil des Ambosses und hat eine dreieckige Querschnittsform. Die äußeren Basiswinkel des Dreiecks betragen ungefähr 120° bis 160°. Dies liefert Innenwinkel von 20° bis 60°. Die Oberseite des Formstückes endet in einer glatten Schneide.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 die rückseitige Ansicht eines Beutels mit einem schnabel förmigen Ausguß, der unter Anwendung von Ultraschalltechnik geformt wurde,

Fig. 2 eine Ansicht einer Schweißvorrichtung für das Verschweißen der Längsnaht des Beutels gemäß Fig. 1,

Fig. 3 den Querschnitt eines Ambosses für das Verschweißen und das Trennen der Folie,

Fig. 4 die Draufsicht einer Ultraschall-Elektrodenarm/Amboß- Anordnung zur Bildung der Schweißung oben und unten und des schnabelförmigen Ausgusses des Beutels gemäß Fig. 1,

Fig. 5 den Querschnitt der Ultraschall-Elektrodenarm/Amboß-Anord nung gemäß Fig. 4 entlang der Linie 5-5,

Fig. 6 eine Ansicht der querlaufenden Ultraschall-Elektroden/- Amboß-Anordnung,

Fig. 7 eine Ansicht der Form/Füll-Einheit für das Formen und Füllen von Beuteln.

Die vorliegende Erfindung ist auf den Prozeß der Ultraschallschweißung von Beutelbehältern während des Füllens der Beutel und auch auf die Verwendung der Ultraschall- Elektrodenarm/Amboß-Anordnung als Mittel sowohl für das Verschweißen, als auch das Schneiden der Thermoplastfolie gerichtet. In dieser Hinsicht muß der Ultraschall-Elektrodenarm und/oder der Amboß von spezieller Gestalt sein, um für die zweifache Funktion der Verschweißung einer Thermoplastfolie mit anschließender Trennung der Thermoplastfolie im Bereich der Schweißnaht zu sorgen.

Um sowohl für das Ultraschallschweißen von Thermoplastfolie, als auch das anschließende Trennen der Folie zu sorgen, muß mindestens der Ultraschall-Elektrodenarm oder der Amboß für die Trennoperation ausgebildet sein. Es ist möglich, daß sowohl der Ultraschall-Elektrodenarm, als auch der Amboß der Ultraschalleinheit so geformt ist, daß ein Trennen erreicht wird. Dieses ist jedoch nicht notwendig, es wird bevorzugt, den Amboß zu formen, weil das geformte Stück einem größeren Verschleiß unterliegt. Es wird vorgezogen, den Amboß gegenüber dem Ultraschall-Elektrodenarm dem verstärkten Verschleiß auszusetzen.

Das vorliegende Verfahren wird unter Bezugnahme auf die Herstellung von Beuteln beschrieben, die einen Ausguß haben. Ein veranschaulichter Beutel wird in Fig. 1 dargestellt. Dieser Beutel wird mit 10 bezeichnet und hat eine Rückseite 11, eine Längsschweißnaht 12, eine untere Verschweißung 13 und eine obere Verschweißung 14. Der Beutel verfügt über einen schnabelförmigen Ausguß 15 mit einem Ausschnitt 17 und einer dazugehörigen Verschweißung 16. Die Beutelrückseite ist gezeichnet.

Bei dem Prozeß des Formens und Füllens des Beutel 10 wird eine Folie in einem ersten Schritt zu einem Schlauch geformt, was dadurch bewirkt wird, daß jede Kante der Folie um etwa 0,1 bis 1,0 cm überlappt, um eine Naht zu bilden. Diese Naht wird zwischen dem Ultraschall-Elektrodenarm und dem Amboß einer Längsultraschallschweißeinrichtung hindurchgeführt. Da sich nun die Naht zwischen dem Ultraschall-Elektrodenarm befindet, wird nach dem Aufbringen von Druck und Ultraschallenergie auf den Ultraschall-Elektrodenarm und/oder den Amboß das Thermoplastmaterial an der Nahtstelle erwärmt und miteinander verbunden. Druck wird vorzugsweise auf den Ultraschall- Elektrodenarm aufgebracht. Nach diesem Schritt hat die Folie die Gestalt eines Schlauches angenommen. Vorzugsweise wird zur gleichen Zeit, zu der die Seitennaht verschweißt wird, die Beutelobernaht geformt und bei einem folgenden Beutel verschweißt. Ebenfalls vorzugsweise wird zu dieser Zeit der schnabelförmige Ausguß an diesem folgenden Beutel und die untere Naht bei einem diesem folgenden Beutel gebildet. Diese ist deshalb vorteilhaft, weil sich die Folie in stationärer Position befindet und zum Zweck einer höheren Effektivität mehr als eine Operation zu dieser Zeit an der Folie ausgeführt werden kann. Folglich werden eine seitliche Verschweißung, eine obere und eine Ausgußverschweißung und eine untere Verschweißung gleichzeitig an verschiedenen Beuteln ausgeführt. Die obere und schnabelförmige Ausgußverschweißung werden mit Hilfe einer gesonderten querlaufenden Ultraschall-Schweißeinheit gegenüber der Einheit zur Schweißung der Seitennaht gebildet. Diese untere querlaufende Ultraschall-Schweißeinheit wird in einem ersten Schritt die Innenflächen des Schlauches so miteinander in Kontakt bringen, daß sowohl die obere Verschlußnaht, als auch die Naht des schnabelförmigen Ausgusses gebildet wird. Sie wird dann durch das Aufbringen von Druck und Ultraschallenergie verursachen, daß die obere Beutelnaht verschweißt wird und daß der schnabelförmige Ausguß durch Verbinden der Oberflächen diese Gestalt erhält. Die Folie hat jetzt die Gestalt eines umgekehrten Beutels, welcher an seinem oberen Ende offen ist. An diesem Punkt kann er jetzt mit einer Substanz, gewöhnlich mit einer Flüssigkeit, gefüllt werden. Nach dem Füllen bewegt sich der gefüllte Beutel abwärts und die querlaufende Ultraschall- Schweißeinheit wird für einen weiteren Zyklus aktiviert. Die untere Naht des gefüllten Beutels wird bei diesem folgenden Zyklus erstellt. Gleichzeitig wird an dem angrenzenden unteren Beutel die obere Naht gemeinsam mit der den schnabelförmigen Ausguß bildenden Naht hergestellt.

Bei jedem Zyklus hört, nachdem die Verschweißungen ausgeführt worden sind, das Aufbringen der Ultraschallenergie auf, und der Druck des Ambosses gegen den Ultraschall-Elektrodenarm wird vergrößert. Auf diese Weise funktionieren der Amboß und der Ultraschall-Elektrodenarm als Trenneinrichtung, um die Folie zu trennen, um den schnabelförmigen Ausguß an dem oberen Beutel zu bilden und um den jetzt verschweißten und gefüllten unteren Beutel von dem oberen Beutel zu trennen, welcher die obere Schweißnaht erhalten hat, aber noch nicht gefüllt ist.

Zusammengefaßt ist festzustellen, daß der querlaufende Ultraschall-Elektrodenarm gleichzeitig mit dem Verschweißen der unteren Naht eines gefüllten schlauchförmigen Beutels auch die obere Naht eines oberen Beutels verschweißt und den schnabelförmigen Ausguß dieses oberen Beutels bildet.

Dieser Schritt kann gleichlaufend mit anderen Schweißschritten ausgeführt werden, da sich die Folie in einer stationären Position befindet. Auf diese Weise können bei dieser Form/Füll- Arbeitsfolge drei verschiedene Schweißoperationen während jedes Intervalls ausgeführt werden, wenn eine Pause beim Bewegungsvorgang der Folie eintritt. Die Seitennaht wird so verschweißt, daß ein Schlauch gebildet wird, die obere Naht und der Ausguß werden für den Beutel erstellt, der vorher mit der Seitennaht versehen wurde, und die untere Verschlußnaht wird an einem vorlaufenden Beutel gemacht, welcher eben gerade mit einer Substanz gefüllt wurde.

Nachdem die obere Verschweißung und der schnabelförmige Ausguß des folgenden Beutels und die untere Schweißung des vorlaufenden Beutels gebildet worden sind, wird die Ultraschallenergie unterbrochen und der Druck zwischen dem Amboß und dem Ultraschall-Elektrodenarm erhöht, um den vorlaufenden gefüllten Beutel von dem folgenden leeren Beutel zu trennen. Der vorlaufende gefüllte Beutel wird der weiteren Verpackung zugeleitet, während der folgende Beutel gefüllt wird. Ebenfalls wird bei der genannten Arbeitsfolge mit der Querverschweißung der schnabelförmige Ausguß gebildet. Ein weiteres Problem besteht darin, daß die querliegenden Schweißbereiche während des Füllvorganges verunreinigen. Diese Verunreinigung entsteht durch den Inhalt, den man in den Beutel hineinfließen läßt, sie wird durch das Verspritzen der Substanz und durch Abtropfen der Substanz nach dem Beendigen des Füllvorganges verursacht. Da nun die thermoplastischen Innenflächen miteinander verbunden werden sollen, kann eine übermäßige Verunreinigung die Unverletzlichkeit der Querverbindung beeinträchtigen. Da jedoch bei der Ultraschallschweißung der Folienstoß und nicht die volle Dicke der thermoplastischen Folie erwärmt wird, ist für die Nahtverbindung die Ultraschallschweißung effektiver als andere Techniken. Das ist deshalb der Fall, weil die Ultraschallenergie auf die inneren Stoßverbindungsflächen der thermoplastischen Folie konzentriert wird und verschmutzende Substanzen von diesen Oberflächen vor der Verschweißung effektiv beseitigt. Dies steht im Gegensatz zur Hochfrequenzerwärmung, die auch als dielektrische Erwärmung bekannt ist, bei der die volle Dicke der thermoplastischen Folie erwärmt wird. Bei der dielektrischen Erwärmung gibt es keine Konzentration der Bindungsenergie nur auf die thermoplastischen Stoßoberflächen. Es ist dieses auch keine Energieform, die bei der Reinigung der zu verbindenden Flächen Unterstützung gibt.

Die längslaufende Schweißeinrichtung wird in Fig. 2 gezeigt. Der Ultraschall-Elektrodenarm 20 und der Amboß 21 können jeder eine ebene Arbeitsfläche haben. Die Oberflächen sind entweder beide glatt, oder es kann eine der Oberflächen strukturiert, die andere glatt sein. In Gebrauch ist die Oberfläche 22 des Ultraschall-Elektrodenarms in unmittelbarer Nähe der Oberfläche 23 des Ambosses. Der Amboß kann wahlweise durch fließendes Wasser oder durch eine andere Flüssigkeit gekühlt werden. Wenn erforderlich kann der Ultraschall-Elektrodenarm durch einen Luftstrom gekühlt werden. Im Ausführungsbeispiel sind sowohl der Ultraschall-Elektrodenarm, als auch die stationäre Spanneinrichtung so gestaltet, daß sie gekühlt werden. Zu diesem Zweck hat der Amboß eine Eintrittsöffnung 27 und eine Austrittsöffnung 28 für den Kühlflüssigkeitsstrom. Obwohl eine der für die Ultraschallschweißung üblichen Frequenzen eingesetzt werden kann, wird vorzugsweise eine Frequenz von etwa 10-70 kHz und daraus vorzugsweise ein Bereich von etwa 20-40 kHz verwendet. Die Energie wird dem Ultraschall-Elektrodenarm durch einen Verstärker 29 zugeführt.

Die längslaufende Schweißeinheit ist nur für das Schweißen konzipiert und braucht nicht in der Lage zu sein, die Folie zu trennen. Wenn es jedoch gewünscht wird, diese Einheit auch zum Schneiden einzusetzen, würden Amboß und Ultraschall- Elektrodenarm eine Kontaktfläche aufweisen, wie sie im Querschnitt gemäß Fig. 3 gezeigt wird. Der Winkel A der Oberfläche 30 beträgt etwa 120°-160°, vorzugsweise etwa 150°- 175°. Dies führt grob zu einem Innenwinkel von 20°-60°. Die obere Fläche 23(a) ist eine Schneide und ist ausreichend, um eine effektive Verschweißung herzustellen, wobei aber bei Druckerhöhung zwischen Ultraschall-Elektrodenarm und Amboß die Folie getrennt werden kann.

In Fig. 4 wird die Amboß-Baugruppe für die Herstellung der oberen und der unteren Verschweißung sowie des schnabelförmigen Ausgusses für den Beutel gemäß Fig. 1 gezeigt. Diese Baugruppe bildet gleichzeitig die untere Schweißnaht des vorlaufenden Beutels und die obere Schweißnaht sowie die Verschweißungen um den Ausguß des angrenzenden folgenden Beutels aus. Nachdem diese Verschweißungen ausgeführt worden sind, wird der Druck zwischen dem Ultraschall-Elektrodenarm und dem Amboß erhöht und das thermoplastische Material zwischen der unteren Verschweißung des Beutels und der oberen Verschweißung des anderen Beutels sowie das überschüssige Material im Bereich des schnabelförmigen Ausgusses werden abgetrennt. Diese Ultraschall-Schweißeinheit muß ausreichend Energie haben, um die Schweißnaht fertigzustellen und das Material für den anschließenden Trennvorgang der Thermoplastfolie zu verdünnen.

Die Gestalt der Oberflächen erzeugt auch ein Verdünnen der Folie. Eine Ultraschallfrequenz von 10-70 kHz ist zweckmäßig, wobei eine Frequenz von etwa 20-40 kHz bevorzugt wird.

Die in Fig. 4 gezeigte Einheit ist die Amboß-Baugruppe 40 der querlaufenden Ultraschall-Schweißeinheit. Diese Einheit besteht aus einer Stützplatte 41, welche den Amboß 43 für das Verschweißen des schnabelförmigen Ausgusses trägt. Jeder dieser Ambosse ist in einem gewissen Maß über die Oberfläche der Stützplatte hinaus erhöht. Der Schweißamboß 42 hat eine Oberfläche 44, welche mit der Oberfläche des dazugehörenden Ultraschall-Elektrodenarms in Kontakt kommt, und der Amboß 43 hat eine Oberfläche 45, die mit der entsprechenden Oberfläche des Ultraschall-Elektrodenarms in Berührung kommt. Die Stützplatte kann über die Öffnungen 46 und 47 durch eine Flüssigkeit gekühlt werden. Die Kontaktflächen 44 und 45 haben die Form einer Schneidkante und sind in der Weise wirksam, die gewünschte Verschweißung zu erzeugen und anschließend die Folie zu trennen. In Übereinstimmung mit der gewünschten Verschweißung wird diese Fläche vorzugsweise eine Kante sein. Die Gestalt der Ambosse dieser Ultraschall-Schweißeinheit wird detaillierter in Fig. 5 gezeigt. Der Außenwinkel A des Ambosses mit der horizontalen Achse, welche in Fig. 5 mit der Grundplatte übereinstimmt, beträgt etwa 120°-160° und vorzugsweise etwa 135°-150°. Dieses führt zu Innenwinkeln von etwa 20°-60°, vorzugsweise von etwa 45°-70°. Die Ambosse sind so geformt, daß sie ein effektives Verschweißen und ein effektives Trennen der Folie nach dem Schweißen gewährleisten. Während der Schweißoperation beträgt der Druck zwischen dem Amboß und dem Ultraschall-Elektrodenarm etwa 10-50 kg/cm². Dieser wird etwa auf 30-100 kg/cm² für das Trennen der Folie erhöht. Der erhöhte Druck ist von dem Druck abhängig, der während des Schweißvorganges eingesetzt wird. Der Druck kann dadurch erhöht werden, daß der Amboß gegen den Ultraschall-Elektrodenarm oder der Ultraschall-Elektrodenarm gegen den Amboß bewegt wird.

In Fig. 6 wird die vollständige Ultraschall-Schweißeinheit für die Ausführung der Beutelschweißung oben und unten und die Schweißung des schnabelförmigen Ausgusses gezeigt. Diese besteht im wesentlichen aus der Amboß-Baugruppe 40 und dem Ultraschall- Elektrodenarm 35. Diese Einheit erzeugt die Verschweißungen oben und unten und auch die Verschweißung des schnabelförmigen Ausgusses. Der Ultraschall-Elektrodenarm besteht aus ebenen Flächen 36, die mit den geformten Flächen 44 und 45 des Ambosses kontaktieren sollen. Die Ultraschallenergie wird von dem Verstärker 37 zu dem Elektrodenarm übertragen. Wie jedoch weiter oben vermerkt, kann der Ultraschall-Elektrodenarm so geformt sein, daß er funktioniert, um die Folie zu trennen, eher, als daß der Amboss entsprechend zweckdienlich geformt ist. Entweder der Ultraschall-Elektrodenarm oder der Amboß muß so geformt sein, um die Folie nach dem Schweißen zu trennen. Wenn der Ultraschall-Elektrodenarm die Trennfunktion ausführen soll, dann muß der Kontaktteil 36 des Ultraschall-Elektrodenarms von der Gestalt sein, wie sie für den Amboß veranschaulicht ist. In diesem Fall wird der Amboß eine ebene Oberfläche haben.

Die Ultraschall-Elektrodenarme können aus Titan, Nickel-Kupfer- Legierungen, Aluminium oder Aluminium-Legierungen hergestellt sein. Titan ist ein effektives Material für die Ultraschall- Elektrodenarme. Der Amboß kann aus demselben oder einem anderen Metall wie das des Ultraschall-Elektrodenarms hergestellt sein. Der Amboß kann auch aus rostfreiem Stahl sein, er sollte eine niedrigere Verschleißzeit haben.

Fig. 7 legt eine bevorzugte Form/Füll-Vorrichtung dar. Bei dieser Form/Füll-Vorrichtung wird der in Fig. 1 dargestellte Beutel in einer Anordnung mit der Oberseite nach unten gebildet und gefüllt. Das bedeutet, die Verschweißung von schnabelförmigem Ausguß und oberer Naht werden zuerst im unteren Teil des Schlauches ausgebildet, der teilweise fertiggestellte Beutel gefüllt und dann die untere Schweißnaht fertiggestellt. Diese Anordnung wird für die Herstellung eines Beutels mit schnabelförmigen Ausguß vorgeschrieben, da ja der Beutel, nachdem der Ausguß gebildet ist, gefüllt wird. Die Folie 51 wird von der Zuführungsrolle 50 abgewickelt. Diese verläuft über die Spannrolle 52 und über Richtungsrollen 53 und 54. Die Folie wird dann über die Rolle 56 nach unten zum Form/Füll-Abschnitt geleitet. Bei 57 wird die Folie zu einem offenen Schlauch geformt. Der Formgeber 57 wird durch die Fülleitung 59 getragen, welche ein zu verpackendes Produkt, gewöhnlich eine Flüssigkeit, aus der Zuführungsleitung 58 erhält. Die Folie läuft offen an der Zuführungsleitung 58 vorbei zum Nahtbildungs- und Längsverschweißabschnitt 60. In diesem Abschnitt lenkt die Führung 61 die Folie so, daß sich eine Überlappung bildet, die durch die in Längsrichtung wirkende Ultraschall-Schweißeinheit verschweißt wird. Der in Längsrichtung verlaufende Ultraschall- Elektrodenarm 63 erhält Ultraschallenergie von dem Wandler 62. Der Amboß wird von der Fülleitung getragen. Die Folie, jetzt in Schlauchform, verläßt den Längsverschweißungsabschnitt 60 und wird durch den Kontroller 64 nach unten bewegt. Der Kontroller 64 fördert die Folie intermittierend und stoppt die Folienbewegung, um die Operationen des Verschweißens, Schneidens und Füllens zu ermöglichen. Dieser Kontroller schließt Treibrollen 65 ein, welche die Folie bewegen.

Im Bereich unter dem Kontroller wird die Folie bei 67 quer verschweißt. Dieses wird durch die untere Schweißeinheit bewerkstelligt, wie es in den Fig. 4, 5 und 6 dargestellt ist. Die untere Schweißeinheit bildet die obere Schweißnaht und den schnabelförmigen Ausguß an dem Schlauch so aus, daß ein Beutel mit einem offenen Ende entsteht. Dieser Beutel ist umgedreht angeordnet. Gleichzeitig erhält der vorlaufende untere Beutel, der schon gefüllt ist, seine untere Schweißnaht. Dieses alles erfolgt unter einem ersten Druck zwischen dem Ultraschall- Elektrodenarm und dem Amboß und dem Aufbringen der Ultraschallenergie. Bei einem zweiten, höheren Druck des Ultraschall-Elektrodenarms gegen den Amboß wird die Folie geschnitten, um den unten liegenden Beutel abzutrennen, und den schnabelförmigen Ausguß an dem folgenden oberen Beutel zu bilden. Bei diesem Arbeitsgang wird, nachdem die obere Schweißnaht und der schnabelförmige Ausguß hergestellt wurden, der Beutel vom Ausguß der Fülleitung 59 aus gefüllt. Nach dem Füllschritt bewegt sich der Beutel nach unten und die querlaufende Ultraschall-Schweißeinheit durchläuft einen weiteren Zyklus, um die untere Naht dieses Beutels und die obere Naht und den Ausguß des folgenden Beutels zu erstellen.

Wie schon bemerkt wurde, ist die Bewegung der Folie intermittierend. Die Folienbewegung wird zum Zweck des Schweißens und des Füllens des Beutels unterbrochen. Folglich wird jedesmal dann, wenn die Folienbewegung angehalten wird, die in Längsrichtung wirkende Ultraschall-Schweißeinheit 63 genauso betätigt, wie die querlaufende Ultraschall-Schweißeinheit 67. Desgleichen wird während dieser Zeit der Beutel gefüllt.

Im wesentlichen kann jede Folie, welche mittels Ultraschallenergie verschweißt werden kann, verwendet werden, um die vorliegenden Beutel zu bilden. Die speziellen thermoplastischen Folien können entweder amorph oder kristallin sein. Besonders geeignet sind Folien aus Akrylpolymeren, Zellulose, Phenylenoxid, Polykarbonat und Polystyren. Generell lassen sich kristalline Harze nicht so leicht unter Anwendung von Ultraschall verschweißen, wie amorphe Harze. Kristalline Folien sind steifer. Flexible Folien werden bevorzugt. Jedoch können Azetalharze, Fluorpolymerharze, Nylonharze und Polyesterharze bei Ultraschallschweißtechniken verwendet werden. Eine bevorzugte Folie ist die, welche mindestens eine Schicht aus Äthylenvinylazetat enthält. Die andere Schicht oder die anderen Schichten können ein Polyolefin, wie beispielsweise Polyäthylen, Polypropylen, Polybutylen und Polybutadien sein.

Die Beutel, die unter Anwendung des Ultraschallschweißens hergestellt werden, können im wesentlichen von beliebiger Größe sein. Jedoch reichen die bevorzugten Größen von etwa 50 cm³ bis zu ungefähr 2 Litern. Es sind dieses Größen, die sich in Bezug auf die Verpackungstechnik am besten handhaben lassen. Die Substanzen, welche in solchen Beutel verpackt werden, beinhalten Erzeugnisse für die persönliche Pflege, Erzeugnisse für die Haushaltspflege und Lebensmittel. Erzeugnisse für die persönliche Pflege sind flüssige Seifen, Haarwaschmittel und Lotionen. Reinigungs- und Poliermittel, Gewebebleichmittel und Mehrzweck-Seifenmischungen sind Haushaltspflegemittel. Auf dem Lebensmittelgebiet umfaßt der Füllstoff verschiedene Soßen, Fleischsäfte, Obstwürzen und dergleichen.

Beispiel 1

Dieses Beispiel veranschaulicht das Formen und Füllen von Beuteln unter Verwendung der in Fig. 7 dargestellten Form/Füll- Vorrichtung.

Eine Folie 51 aus Polyäthylen/Äthylen-Vinylazetat, die koextrudiert hergestellt ist und eine Dicke von 0,20 mm und eine Breite von 16 cm hat, wird von der Zuführungsrolle 50 einer Beutel-Form- und Füllmaschine über Rollen 52, 53, 53 und 56 zugeführt. Die Folie wird in einem endlosen Strang 51 der Form/Füllmaschine zugeführt. Wenn die Folie durch ein oberes formgebendes Mundstück 57 hindurchgeht, wird sie zu einer schlauchförmigen Gestalt mit einer sich überlappenden Längsnaht geformt. Die Überlappung beträgt etwa 10 mm. Die Folie verläuft zwischen einem in Längsrichtung verlaufenden Ultraschall- Elektrodenarm 63 und einer stationären Spannvorrichtung. Der Beaufschlagungsdruck beträgt etwa 40 kg/cm². Die Folienbewegung wird während dieser Zeit unterbrochen. Die Seitennaht wird durch die Folienkanten gebildet, welche zwischen dem in Längsrichtng angeordneten Ultraschall-Elektrodenarm und dem Amboß gehalten werden (siehe Fig. 2), und es wird eine Ultraschallenergie bei einer Frequenz von 20 kHz aufgebracht. Zur gleichen Zeit werden querlaufende Bodennähte an den unteren Teil der Folie sowie ein schnabelförmiger Ausguß gebildet. Dieses wird durch eine querverlaufende Baugruppe aus Ultraschall-Elektrodenarm und beweglichem Amboß 67 gebildet (siehe Fig. 4 bis 6). Zur gleichen Zeit, zu der die obere Schweißnaht und der schnabelförmige Ausguß bei diesem Beutel ausgebildet werden, wird eine untere Schweißnaht an dem darunterliegenden Beutel ausgebildet, welcher gerade gefüllt worden ist. Eine Ultraschallfrequenz von 35 kHz wird benutzt, um diese Schweißverbindung herzustellen. Der Beaufschlagungsdruck der Baugruppe aus dem querlaufenden Ultraschall-Elektrodenarm und dem Amboß während des Schweißens beträgt etwa 40 kg/cm². Nachdem die Seiten- und die obere Naht zusammen mit dem schnabelförmigen Ausguß bei dem vorliegenden Beutel gebildet worden ist, wird der neugebildete Beutel mit dem offenen Boden mit 250 cm³ Bleichmittel gefüllt. Der darunterliegende Beutel, welcher einer Verschlußverschweißung unterzogen wurde, wird abgetrennt und der weiteren Verpackung zugeführt. Das Abtrennen wird durch Erhöhen des Beaufschlagungsdruckes des Ultraschall-Elektrodenarms gegen die stationäre Einspannung auf etwa 90 kg/cm² gewährleistet. Während dieser Zeit wird keine Ultraschallenergie aufgebracht. Mit diesem Vorgang wird der Maschinenzyklus abgeschlossen und wiederholt.

Die verschweißten Nähte einer repräsentativen Anzahl von Beuteln werden in einem Druckprüfgerät getestet. Diese hat eine feststehende und eine bewegliche Platte. Ein Muster wird zwischen die Platten gelegt und der Druck auf den Beutel erhöht. Eine Berstfestigkeit größer als 150 kg zeigt einen akzeptabel verschweißten Beutel an. Die Beutel erreichen beständig mehr als 150 kg.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines geformten, verschweißten Beutels aus flexibler Folie, der eine flüssige Substanz aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Schritte
das teilweise Formen der flexiblen Folie zu einem Schlauch unter Anwendung von Ultraschallenergie,
das Füllen des teilweise geformten Beutels mit der flüssigen Substanz,
das Verschließen des Beutels durch Verschweißen der Öffnung, durch welche der Beutel gefüllt wurde, unter Anwendung von Ultraschallenergie, die durch einen Ultraschall-Elektrodenarm auf einen Amboß bei einem ersten Kontaktdruck aufgebracht wird und ein Erhöhen des Kontaktdruckes, um die Folie zu trennen, umfassen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) das Formen der flexiblen Folie zu einer schlauchförmigen Gestalt mit einer sich überlappenden Kante;
b) das Kontaktieren der sich überlappenden Kante der schlauchförmigen Folie mit Ultraschallenergie, um die sich überlappende Kante so zu verbinden, daß ein Schlauch entsteht;
c) das Verschweißen eines unteren Teils des Schlauches mittels Ultraschallenergie, um einen ersten Beutel zu bilden;
d) das Füllen des ersten Beutels mit einer flüssigen Substanz und e) das Verschweißen (I) des oberen Teils des ersten Beutels, (II) eines weiteren unteren Teils des Schlauches, um einen zweiten Beutel zu bilden, beides mittels Ultraschallenergie und das Trennen des ersten Beutels von dem zweiten Beutel.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mundstück die Folie schlauchförmig mit einer Überlappung von etwa 0,1 bis 1,0 cm formt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Überlappung mit Ultraschallenergie zwischen einem Ultraschall- Elektrodenarm und einem Amboß mit einem Kontaktdruck von etwa 10 kg/cm² bis etwa 50 kg/cm² und einer Ultraschallfrequenz von etwa 10 bis 70 kHz in Kontakt gebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschweißen des oberen und des unteren Teils und das Trennen eines Beutels von dem nachfolgenden Beutel dadurch erfolgt, daß der Schlauch bei einem Kontaktdruck zwischen einem Ultraschall- Elektrodenarm und einem Amboß von etwa 10 kg/cm² bis zu etwa 70 kg/cm² und einer Ultraschallfrequenz von etwa 10 bis 50 kHz in Kontakt gebracht wird und dann der Kontaktdruck zwischen dem Ultraschall-Elektrodenarm und dem Amboß auf etwa 20 kg/cm² bis 100 kg/cm² erhöht wird, um die Folie im Bereich der Verschweißung zu trennen.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Folie mindestens eine Schicht aufweist, die mittels Ultraschallenergie mit sich selbst bindungsfähig ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Folie mindestens eine Polyenschicht und eine Äthylen- Vinylazetatschicht hat.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Polyenschicht aus der Gruppe, welche aus Polyäthylen, Polypropylen und Polybutadien besteht, gewählt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Folie als endloses Band zugeführt, zu einer endlosen schlauchförmigen Gestalt geformt und zu einem endlosen Schlauch verschweißt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die flexible Folie in einer stationären Position befindet, wenn der obere und der untere Teil des Beutels verschweißt werden und ein Beutel von einem anderen Beutel getrennt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schweißen der oberen Schweißnaht, um einen Beutel zu bilden und der Bildung eines schnabelförmigen Ausgusses angrenzend an die obere Schweißnaht, die überschüssige Folie im Bereich des schnabelförmigen Ausgusses in einem zweiten Schritt abgetrennt wird.

12. Geformter verschweißter Beutel aus flexibler Folie, welcher eine flüssige Substanz aufnimmt, gekennzeichnet durch eine ein- oder mehrlagige Folie, durch eine Seitennaht, eine untere Naht, eine obere Naht und einen Ausguß, welche alle mittels Ultraschall verschweißt sind.

13. Beutel nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Ausguß an der Oberkante des Beutels befindet und die Form eines Schnabels aufweist.

14. Vorrichtung für das Formen und Füllen von Beuteln, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:

a) Mittel zur Formung einer flexiblen Folie zu einem Schlauch mit überlappender Längsnaht;
b) eine erste Baugruppe aus Ultraschall-Elektrodenarm und Amboß;
c) Mittel, um die sich überlappende Längsnaht der flexiblen Folie zwischen dem ersten Ultraschall-Elektrodenarm und dem Amboß zu positionieren;
d) Mittel, um die erste Baugruppe aus Ultraschall-Elektrodenarm und Amboß zum Verschweißen der überlappenden Längsnaht zu einem Schlauch zu betätigen;
e) eine zweite Baugruppe aus Ultraschall-Elektrodenarm und Amboß, die anschließend an den ersten Ultraschall-Elektrodenarm und Amboß angeordnet ist, um Verschweißungen oben und unten an dem Schlauch zu bilden und einen Beutel herzustellen;
f) Mittel, um die zweite Baugruppe aus Ultraschall-Elektrodenarm und Amboß mit einem ersten Kontaktdruck zu betätigen, um die Verschlüsse oben und unten zu verschweißen und mit einem zweiten Kontaktdruck, um die Folie im Bereich der Schweißnaht abzutrennen, um einen gefüllten Beutel von dem Schlauch zu trennen und
g) Füllmittel, angrenzend an die Bildung des unteren Verschlusses und vor der Bildung des oberen Verschlusses, um den Beutel im wesentlichen zu füllen.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die einen Kontaktdruck zwischen dem ersten Ultraschall-Elektrodenarm und der stationären Einspannung von etwa 10 bis 70 kg/cm² erzeugen.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Baugruppe aus Ultraschall-Elektrodenarm und Amboß einen Amboß einschließt, der eine erhöhte Schneidfläche aufweist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die erhöhte Schneidfläche einen Außen-Basiswinkel von etwa 120° bis 160° aufweist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die stationäre Einspannung eine Oberfläche hat, die geeignet ist, die Folie nach dem Schweißen zu trennen.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um einen Druck von etwa 10 kg/cm² bis 70 kg/cm² zwischen dem zweiten Ultraschall-Elektrodenarm und dem Amboß während des Verschweißens und einen Druck von etwa 20 kg/cm² bis 100 kg/cm² während des Trennens zu erzeugen.

20. Baugruppe bestehend aus einem Ultraschall-Elektrodenarm und einem Amboß für das Verschweißen und Trennen einer Plastfolie, gekennzeichnet durch einen Ultraschall-Elektrodenarm oder Amboß, der eine geformte Kontaktfläche aufweist, die so angepaßt ist, daß die Folie nach dem Aufbringen eines ersten Druckes mittels Ultraschallenergie verschweißt wird und nach dem Aufbringen eines zweiten höheren Druckes getrennt wird.

21. Baugruppe nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die geformte Kontaktfläche im wesentlichen einen dreieckigen Querschnitt aufweist, wobei der Außen-Basiswinkel etwa 120° bis 160° beträgt.