DE4442047C2 - Verfahren zum kontinuierlichen Verschweißen von Kunststoffolien, insbesondere auch von mehrschichtigen Laminatfolien mit einer Sperrschicht aus Kunststoff, und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Verschweißen von Kunststoffolien, insbesondere auch von mehrschichtigen Laminatfolien mit einer Sperrschicht aus Kunststoff, entlang von sich überlappenden Rändern unter Bildung einer Überlappungsnaht durch Zufuhr von Wärme unter Druck und anschließendem Kühlen, wobei die Wärme und der Druck mittels von den Nahtbereich zwischen sich einschließenden metallischen Bändern zugeführt wird. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens mit einer Einrichtung zum ausgerichteten Überlappen von zwei Kunststoffolienrändern und zu deren gemeinsamer Führung und zum gemeinsamen Transport durch eine Schweiß und Kühlzone, wobei die Schweißwärme mittels metallischer Bänder über die freiliegenden Überlappungsflächen von einer Energiequelle zugeführt wird, und wobei mindestens ein Band endlos ist und mit einem Antrieb verbunden ist.

Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind insbesondere zur Herstellung von Rohrkörpern für Verpackungstuben bekannt, die aus mehrschichtigen Kunststoffolien mit einer Sperrschicht aus Kunststoff hergestellt werden. Die Herstellung erfolgt durch Formen einer Folienbahn zu einem Rohr, wobei die beiden Randabschnitte der Folienbahn übereinander gelegt und einer Schweißzone zugeführt werden, wo sie unter Anwendung von Wärme und Druck zu einer im Rohrkörper längs verlaufenden Überlappungsnaht verschweißt werden, wonach sie eine Kühlzone durchlaufen. Bei den bekannten Vorrichtungen erfolgt die Nahtbildung zwischen zwei, den Nahtbereicht zwischen sich einklemmenden, endlos umlaufenden beheizten metallischen Bändern. Die Beheizung der Bänder erfolgt dabei durch feststehende beheizte Schweißbacken, die gegebenenfalls auch den zur Verschweißung notwendigen Druck über die Bänder auf die Überlappungsnaht aufbringen. Gegebenenfalls kann auch zusätzlicher Formdruck durch drehbar gelagerte Formwalzen, die je nach Bedarf erwärmt oder gekühlt sein können, aufgebracht werden. Es ist auch bekannt, die metallischen Bänder durch Hochfrequenz vorzuheizen und/oder zu beheizen, s. z. B. die DE-24 32 878 A1.

Bei den bekannten Vorrichtungen ergeben sich Probleme, die sich durch das schwierige Steuern des Aufheizens und des Haltens auf einer bestimmten Temperatur durch Hochfrequenz ergeben und andererseits durch die große thermische Trägheit von beheizten Anpreß- und/oder Schweißbacken, welche insbesondere bei Produktionsunterbrechungen, d. h. bei Stillstand des Folientransportes, jeweils abgehoben werden müssen, um ein Überhitzen bzw. ein Verkleben der Folienrandabschnitte mit den Bändern und deren Verschmutzung zu vermeiden. Das Abheben der heißen Schweißbacken hat jedoch zur Folge, daß die in Entstehung begriffene Überlappungsnaht sich öffnet und bei einem erneuten Anfahren der Anlage sich störend bemerkbar macht. Durch dieses Öffnen der Seitenlängsnaht entstehen beim Wiederanfahren der Anlage solange qualitativ minderwertige Rohrkörper bis sich das thermische Gleichgewicht Schweißbacke zu Metallband wieder auf Produktionsbedingungen eingependelt hat, so daß viel Ausschuß entsteht. Ein weiterer Nachteil der beheizten Schweiß- und Anpreßbacken besteht in der großen Abhängigkeit des realen Wärmeübergangs von Schweißbacke zu Metallband, die unter anderem vom geometrischen Zustand der Übertragungsfläche der Backen und des Metallbandes sowie den Gleit- bzw. Reibbedingungen zwischen ihnen abhängen. Nur eine perfekt geradlinige und glatte Fläche ergibt einigermaßen konstante Übertragungsverhältnisse. Unter Produktionsbedingungen ist ein großer Verschleiß der Berührungsflächen umvermeidbar, und es müssen somit zur Erhaltung guter thermischer Übertragungsbedingungen sehr oft Wechsel der Schweißbacken vorgenommen werden, was wiederum häufige Produktionsausfälle bedingt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, das es gestattet, die Wärmezufuhr zu den Metallbändern so zu verbessern, daß auch bei einem Stillstand und bei einem Wiederanfahren einer Produktionsvorrichtung kein Ausschuß durch qualitativ minderwertige Schweißnähte entsteht.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorzugsweise Ausführungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 3 gelöst, wobei vorzugsweise Ausführungen den Unteransprüchen zu entnehmen sind.

Nachstehend wird die Erfindung an Ausführungsbeispielen von Vorrichtungen unter Bezug auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Herstellung von Tubenrohrkörpern, insbesondere deren Schweiß- und Kühlzone,

Fig. 2 das gleiche wie in Fig. 1 mit einer Ausführungsvariante in der Schweißzone,

Fig. 3 das gleiche wie in Fig. 1 mit einer dritten Ausführungsvariante in der Schweißzone.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zur Herstellung von Rohren aus einem mehrschichtigen Kunststoffolienband ist ein Teil einer nicht dargestellten Anlage zur Tubenherstellung. Das eingesetzte Kunststoffolienband 1 kann ein- oder mehrschichtig sein und eine Sperrschicht aus einem Kunststoff aufweisen. Das Folienband 1 wird in Längsrichtung um einen Formdorn 2 gebogen und in einer Formhülse 3 zu einem Rohr 4 mit - in Fig. 1 oben liegenden - sich überlappenden Rändern geformt, die miteinander verschweißt werden sollen.

Die Vorrichtung weist ein inneres endlose s Metallband 5 auf, das von der Seite der Zuführung des Kunststoffolienbands 1 eingeführt wird, wobei dessen Obertrum so geführt ist, daß es in Kontakt mit dem inneren Überlappungsbereich des gebildeten Rohrs 4 steht. Das Untertrum des inneren endlosen Metallbands 5 ist so im Formdorn 2 geführt, daß kein Kontakt mit dem gebildeten Rohr 4 besteht. Das innere Metallband 5 ist endlos und wird um Umlenkrollen 6 geführt. Eine oder mehrere der Umlenkrollen 6 können durch einen Antrieb 7 angetrieben sein.

Hinter der Formhülse 3 und oberhalb des aus ihr austretenden Formdorns 2 ist ein äußeres endloses Metallband 8 derart angeordnet, daß dessen Untertrum parallel zum Obertrum des inneren Metallbands 5 über eine Strecke geführt ist, die eine Schweißzone und mindestens einen Teil einer Kühlzone umfaßt. Das innere Metallband 5 und das äußere Metallband 8 sind derart angeordnet, daß sie den Überlappungsbereich des Rohres 4 zwischen sich klemmend einschließen, wobei das äußere Metallband 8 über Umlenkrollen 9 geführt und über einen Antrieb 10 mittels einer Anpreßrolle 11 schlupffrei angetrieben wird. Die Antriebe 7 und 10 des inneren und des äußeren Metallbandes 5, 8 sind miteinander synchronisiert, so daß auf der gemeinsamen Parallelstrecke ein synchroner Lauf besteht.

Dem äußeren Metallband 8 sind in der Schweißzone im Ausführungsbeispiel zwei abgefederte Andrückbacken 12 zugeordnet, die das Untertrum des äußeren Metallbandes 8 in Richtung auf den Formdorn 2 beaufschlagen. In der Kühlzone ist eine federnd gelagerte Kühlbacke 13 angeordnet, die mit dem äußeren Metallband 8 in Wirkverbindung steht. Im Ausführungsbeispiel ist in der Schweißzone zusätzlich eine abgefederte Formwalze 14 vorgesehen, die in Wirkverbindung mit dem äußeren Metallband 8 steht, wobei ihr im inneren des Formdorns 2 eine freilaufende Gegenrolle 15 zugeordnet ist, die mit dem Obertrum des inneren Metallbands 5 zusammenwirkt. Durch das Zusammenspiel von Formwalze 14 und freilaufender Gegenrolle 15 wird die in der Schweißzone gebildete Schweißnaht endgültig geformt und/oder verdichtet.

In Transportrichtung (s. den Pfeil in Fig. 1) sind am Ende der Schweißzone ein, mit dem äußeren Metallband 8 zusammenwirkender Kontakt 16 und ein dem inneren Metallband 5 zugeordneter Kontakt 17 vorgesehen. Vor der Schweißzone ist dem äußeren Metallband 8 ein Kontakt 18 und dem inneren Metallband 5 ein Kontakt 19 zugeordnet. Diese Kontakte 16 bis 18 bestehen aus einem elektrisch gut leitenden, vorzugsweise metallischen, Material z. B. in Form einer Drahtbürste oder eines abgefederten Kontaktbandes und sind vorzugsweise an eine Niedervoltspannungsquelle 20 derart angeschlossen, daß die Metallbänder 5 und 8 als Ohm′scher Widerstand dienen. Durch die Anordnung der Kontakte 16, 18 einerseits und 17, 19 andererseits werden die jeweiligen Metallbänder 5; 8 in zwei unterschiedlich lange Abschnitte gegliedert, wobei der die Heizzone durchlaufende Abschnitt deutlich kürzer als der längere Abschnitt außerhalb der Schweißzone ist, so daß bei Anlegung einer Spannung an die Kontakte 16, 18 bzw. 17, 19 im jeweils kürzeren Abschnitt in der Schweißzone eine deutlich höhere Heizleistung erzielt wird als im längeren Abschnitt. Ist das Verhältnis des kürzeren, in der Schweißzone liegenden Abschnitts zum außerhalb dieser Zone liegenden längeren Abschnitt wie 1 : 4, so ist die Heizleistung im längeren Abschnitt viermal kleiner als im kürzeren Abschnitt. Vorzugsweise soll die Stromquelle eine Niedervoltspannung bis max. 48 Volt abgeben. Durch Verlagern der Kontakte 18 und 19 weiter auf die Schweißzone zu oder von ihr weg kann im Sinne eines Vorheizens Einfluß auf die Temperatur genommen werden, mit der die Metallbänder 5, 8 auf den Überlappungsbereich des gebildeten Rohrs 4 treffen.

Bei der im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 dargestellten Vorrichtung sind die Kontakte 16, 18 und 19 in Form von freilaufenden oder gegebenenfalls auch angetriebenen - unter Verzicht auf die Antriebe 7, 10 - Kontaktradern 21, 21′, 21′′ vorgesehen, wobei diese Kontakträder 21, 21′, 21′′ vorzugsweise zu mehr als 90° umschlungen sein sollen, um so die Kontaktfläche zu erhöhen. Durch die Verwendung von Kontakträdern wird ein Abschleifen der Kontakte 16, 18 und 19, als auch der Metallbänder 5, 8 zumindestens oberhalb der zu bildenden Schweißnaht verhindert, so daß einerseits die Standzeiten der Metallbänder 5, 8 verlängert und andererseits eine Verschmutzung des Nahtbereichs durch herabfallendes Abriebmaterial vermieden wird.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist anstelle eines umlaufenden inneren Metallbandes 5 ein ortsfest angeordnet er Metallbandabschnitt 22 in der Schweißzone vorgesehen, dessen jeweilige Enden 23, 23′ an die Energiequelle 20 angeschlossen sind. Die Andruckkraft des Metallbandabschnitts 22 gegen das äußere Metallband 8 kann erforderlichenfalls durch nicht dargestellte - gegebenenfalls isolierte - Federelemente unterstützt werden. Hierbei schleift der innere Überlappungsbereich auf dem Metallbandabschnitt 22. Eventuelle Schleifspuren liegen jedoch im inneren des Rohrs 4 und sind daher tolerierbar.

Das Verfahren arbeitet wie folgt. Das Rohr 4 aus Kunststoffolienband 1 gelangt mit seinen sich überlappenden Rändern in den Bereich, wo das äußere Metallband 8 parallel zum inneren Metallband 5, bzw. zum Metallbandabschnitt 22 verläuft, wodurch der Überlappungsbereich, fixiert durch das äußere Metallband 8, gegebenenfalls auch das innere Metallband 5, weitertransportiert wird. Mittels der Andrückbacken 12 wird ein guter Kontakt bzw. ein Zusammendrücken der sich überlappenden Ränder gewährleistet. Die zur Schweißung erforderliche Wärme wird im Bandabschnitt zwischen den Kontakten 18 und 16 und 19 und 17 (Fig. 1) bzw. 21 und 21′ und 21′′ und 17 (Fig. 2) bzw. 23 und 23′ (Fig. 3), d. h. in der Schweißzone durch Zuführen von niedervoltigem Strom von der Niedervoltspannungsquelle 20 direkt durch Ohm′schen Widerstand erzeugt. Die jeweiligen kürzeren Bandabschnitte weisen eine sehr geringe thermische Trägheit auf und geben die nach einer Stromunterbrechung noch verbleibende Restwärme sehr schnell an die umgebenden Elemente ab. Durch dieses sehr schnelle thermische Reagieren der beheizten Bandabschnitte kann die gesamte Schweiß und Kühlzone immer unter Produktionsbedingungen, d. h. mit anliegenden inneren und äußeren Metallbändern und entsprechend angepreßten Andrück- und Kühlbacken stehen bleiben. Ein mit dem Anfahren und Abstellen des Folientransportes koordiniert er Schweißstromverlauf erlaubt somit ein nahezu ausschußfreies und flexibles Betreiben solcher Anlagen.

In einer konkreten Anlage wurden endlose Metallbänder aus einer Nickel-Chrom-Legierung mit einer Breite von 8 mm und einer Stärke von 0,08 mm, d. h. einem Bandquerschnitt von 0,64 mm² eingesetzt, wo der spezifische Widerstand der Legierung ca. 1,25 Ohm mm² pro m beträgt. Die kurzen Abstände in der Heizzone zwischen den Kontakten 16 und 18 bzw. 17 und 19 betrugen ca. 50 cm. Somit weisen die aktiven Bandabschnitte einen elektrischen Widerstand von ca. 1 Ohm auf.

Der theoretische Wärmeleistungsbedarf zum Verschweißen eines üblichen Laminats mit einer Sperrschicht aus Kunststoff bei einer Vorschubgeschwindigkeit von 30 m pro Minute beträgt ca. 700 W, d. h. pro zusammenwirkenden Bandabschnitt sind 350 W erforderlich. Um die Eigenerwärmung der Bänder sowie Wärmeverluste an Umlenkelemente und z. B. die Andrückbacken oder Stützelemente im Formdorn sowie an die Umgebung zu kompensieren, muß jedoch pro Bandabschnitt ca. die vierfache Heizleistung also 1400 W erbracht werden.

Bei den gegebenen Bedingungen, mit 1 Ohm Bandwiderstand, wird an die Bandabschnitte eine Stromstärke von 37,5 Ampère und eine Spannung von ca. 37,5 V durch ein Regelgerät automatisch angelegt, die die erforderliche Heizleistung gewährleisten.

Claims (9)

1. Verfahren zum kontinuierlichem Verschweißen von Kunststoffolien - insbesondere auch mehrschichtigen Laminatfolien mit einer Sperrschicht aus Kunststoff - entlang von sich überlappenden Rändern unter Bildung einer Überlappungsnaht durch Zufuhr von Wärme unter Druck und anschließendem Kühlen, wobei die Wärme und der Druck mittels von den Nahtbereich zwischen sich einschließenden metallischen Bändern zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme jedem Band auf einem Längenteilabschnitt durch Anschluß an eine Stromquelle zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Niedervoltspannung bis max. 48 V angelegt wird.

3. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Einrichtung zum ausgerichteten Überlappen von zwei Kunststoffolienrändern und zu deren gemeinsamer Führung und zum gemeinsamen Transport durch eine Schweiß- und eine Kühlzone, wobei die Schweißwärme mittels metallischer Bänder (5, 8) über die freiliegenden Überlappungsflächen von einer Energiequelle zugeführt wird, wobei mindestens ein Band (8) endlos ist und mit einem Antrieb (10) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Band (5, 8, 22) über zwei beabstandete elektrisch leitende Kontakte (17, 19; 16, 18; 23, 23′) abschaltbar mit einer Stromquelle (20) als Energiequelle verbunden ist, wobei die den Bändern (5, 8) zugeordneten Kontakte (17, 19, 16, 18) die Bänder (5, 8) in einen kürzeren und einen längeren Abschnitt gliedern.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiequelle eine Niedervoltspannungsquelle (20) ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakte (17, 19; 16, 18; 23, 23′) im Eingangs- und Ausgangsbereich der Schweißzone angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Band ein ortsfester Bandabschnitt (22) ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakte (17, 19; 16, 18) Schleifkontakte sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakte (16, 18, 19) drehbare Kontakträder (21, 21′, 21′′) sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Kontakte (17, 19; 16, 18; 23, 23′) voneinander einstellbar ist.