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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Einheit zum Bearbeiten einer
Verpackungsmaterialbahn in einer Maschine zum Verpacken von Nahrungsmitteln.
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Viele
fließfähige Nahrungsmittel
wie Fruchtsaft, pasteurisierte oder H-Milch (uperisierte Milch), Wein,
Tomatensauce usw. in Verpackungen verkauft, die aus sterilisiertem
Verpackungsmaterial hergestellt sind.
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Ein
typisches Beispiel für
eine solche Verpackung ist die quaderförmige Verpackung für flüssige oder
fließfähige Nahrungsmittel,
die als Tetra Brik Aseptic (eingetragenes Warenzeichen) bekannt
ist und durch Falten und Versiegeln einer laminiertem Verpackungsmaterialbahn
gebildet wird. Das laminierte Verpackungsmaterial weist Schichten
aus faserigem Material, z. B. Papier auf, welche an beiden Seiten
mit Schichten aus Heißsiegelkunststoffmaterial
bedeckt sind, z. B. Polyethylen. Im Falle von aseptischen Verpackungen
für hat
die Seite des Verpackungsmaterials, die schließlich mit dem Nahrungsmittel
in der Verpackung in Kontakt gelangt, auch eine Schicht aus Sperrmaterial,
wie eine Aluminiumfolie, die wiederum mit einer Schicht aus Thermoplastmaterial
bedeckt ist.
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Bekanntlich
werden solche Verpackungen an vollautomatischen Verpackungsmaschinen
hergestellt, in welchen ein kontinuierlicher Schlauch aus der Verpackungsmaterialbahn
gebildet wird.
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Insbesondere
wird die Bahn aus Verpackungsmaterial sterilisiert und dann einer
Formeinheit zugeführt,
wo sie in Längsrichtung
gefaltet und versiegelt wird, um einen Schlauch zu bilden. Der Schlauch
wird dann mit dem sterilisierten oder steril verarbeiteten Nahrungsmittel
gefüllt,
von Paaren von Backen versiegelt und dann an gleich beabstandeten Querbändern geschnitten
wird, um Kissenpacks zu bilden, die danach mechanisch gefaltet werden,
um die fertigen, z. B. im wesentlichen quaderförmigen Verpackungen zu bilden.
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Oberhalb
der Formeinheit kann die Materialbahn durch eine Bearbeitungseinheit
zugeführt
werden, wo Hilfsoperationen durchgeführt werden. Falls beispielsweise
Verpackungen hergestellt werden sollen, die mit Öffnungseinrichtungen wie Schraubkappen,
Scharnierkappen oder Aufreißstreifen
versehen werden, können
die obengenannten Hilfsoperationen eine Stanzoperation zum Vorsehen
von Löchern
an ausgewählten
Positionen der Bahn sowie das Aufbringen der Öffnungseinrichtungen an die
Löcher umfassen. Öffnungseinrichtungen
können
durch direktes Spritzgießen
der Öffnungseinrichtung
an die Löcher
aufgebracht werden, wie dies z. B. in der WO 98/18608 beschrieben
ist; als eine Alternative können Öffnungseinrichtungen
an die Verpackungsmaterialbahn geklebt oder thermogeschweißt werden.
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Bei
bekannten Maschinen wird die Materialbahn von einem Indexierungssystem
stufenweise durch die Bearbeitungseinheit zugeführt, das Zufuhrwalzen umfaßt, die
von einem Servomotor angetrieben werden, der in Reaktion auf ein
Positionssignal gesteuert wird, das von einem optischen Sensor erzeugt
wird, der einen Positionsindex an der Bahn erfaßt, gewöhnlich ein gedrucktes Muster
wie einen Strichcode, der entlang der Bahn in einer vorbestimmten
Teilung wiederholt ist, die gleich der Länge des Bahnabschnitts ist,
welche zur Herstellung einer Verpackung nö tig ist, und sie entspricht
deshalb der Wiederhollänge
des Verpackungsmaterial-Designs und der Teilung zwischen den Löchern.
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Die
Haltzeit der Bahn an der Formstation kann nicht unter einen gegebenen
Schwellenwert reduziert werden, da man Kunststoffmaterial abkühlen und
verfestigen lassen muß,
bevor die Formwerkzeuge geöffnet
werden. Um dieser Anforderung zu genügen, aber gleichzeitig eine
hohe Produktionsgeschwindigkeit zu erhalten, umfassen bekannte Formstationen
zum direkten Formen von Öffnungseinrichtungen
an die Materialbahn allgemein mehrere Formeinrichtungen, typischerweise
drei, die entlang des Bahnzufuhrpfades in einem Abstand einer Wiederhollänge beabstandet
sind und parallel arbeiten, so daß während jedes Halts der Bahn
mehrere Öffnungseinrichtungen
geformt werden; bei jedem Zufuhrschritt wird die Verpackungsmaterialbahn
um eine Zahl von Wiederhollängen
gleich der Zahl von Formwerkzeugen vorgeschoben.
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Diese
Anordnung ist voll zufriedenstellend, wenn relativ große Verpackungen
wie 1-Liter-Verpackungen hergestellt werden, die eine Wiederhollänge von
etwa 180–200
mm oder mehr haben, sie kann aber nicht für kleinere Verpackungen verwendet
werden, weil die Abmessungen der Formeinheiten nicht unter bestimmte
Grenzen reduziert werden können. Als
Folge haben kleine Verpackungen wie die sogenannten "Portionspackungen" gewöhnlich keine
angeformte Öffnungseinrichtung.
Die WO-A-98/18608 offenbart eine Einheit nach dem Oberbegriff von
Anspruch 1.
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Im
Umfang der vorliegenden Erfindung liegt es, eine Einheit zum Bearbeiten
einer Verpackungsmaterialbahn vorzusehen, die von den obengenannten
Problemen frei ist.
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Dieser
Umfang ist durch eine Einheit zum Bearbeiten einer Verpackungsmaterialbahn
in einer Maschine zum Verpacken von Nahrungsmitteln erreicht, wie
sie in Anspruch 1 beansprucht ist.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Indexieren einer Verpackungsmaterialbahn
in einer Einheit zum Bearbeiten einer Verpackungsmaterialbahn einer
Maschine zum Verpacken von Nahrungsmitteln, wie es in Anspruch 5
beansprucht ist.
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Drei
bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden im folgenden als nicht einschränkendes
Beispiel und unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben; darin
zeigen:
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1 eine
schematische Seitenaufrißansicht
einer Einheit zum Bearbeiten einer Verpackungsmaterialbahn nach
einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 ein
Schema, das aufeinanderfolgende Schritte eines Verfahrens zum Indexieren
der Verpackungsmaterialbahn in der Einheit von 1 nach der
vorliegenden Erfindung zeigt;
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3 ein
Schema, das aufeinanderfolgende Schritte eines zweiten Verfahrens
zum Indexieren der Verpackungsmaterialbahn nach der vorliegenden Erfindung
zeigt;
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4 ein
Schema, das aufeinanderfolgende Schritte eines dritten Verfahrens
zum Indexieren der Verpackungsmaterialbahn nach der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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5 ein
Schema, das aufeinanderfolgende Schritte eines vierten Verfahrens
zum Indexieren der Verpackungsmaterialbahn nach der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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6 eine
Teildraufsicht der Verpackungsmaterialbahn.
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In 1 gibt
die Ziffer 1 insgesamt eine Bearbeitungseinheit an, die
Teil einer (nicht gezeigten) Verpackungsmaschine ist, in welcher
ein kontinuierlicher Schlauch aus einer Bahn 2 aus Verpackungsmaterial
geformt wird. Die Bahn 2 wird durch die Einheit 1 entlang
eines Pfades P zugeführt
und ist mit einem gedruckten Muster oder Design versehen, das geeignet
einen Strichcode C (6) umfaßt, der periodisch mit einer
Teilung oder Wiederhollänge
R wiederkehrt, die der Länge
von Verpackungsmaterial entspricht, die zur Herstellung einer Verpackung
verwendet wird.
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Die
Einheit 1 umfaßt
eine Stanzstation 3, die geeignet mehrere Stanzwerkzeuge 3a, 3b, 3b aufweist,
die entlang eines ersten vertikalen Abschnitts P1 des Pfades P voneinander
beabstandet sind. In der Stanzstation 3 wird die Verpackungsmaterialbahn 2 derart
gestanzt, daß gleich
beabstandete Öffnungen
oder Löcher 4 hergestellt
werden.
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Die
Einheit 1 umfaßt
ferner eine Formstation 5, die wiederum eine Zahl von Formwerkzeugen 5a, 5b, 5c gleich
der Zahl von Stanzwerkzeugen 3a, 3b, 3c umfaßt; in der
Formstation 5, die entlang eines horizontalen Abschnitts
P2 des Pfades P unterhalb angeordnet ist, werden Öffnungseinrichtungen 6 aus Kunststoffmaterial
an die Bahn 2 an Löchern 4 davon spritzgegossen.
Mehrere, z. B. drei Einspritzwerkzeuge 5a, 5b, 5c werden „parallel" zueinander verwendet,
so daß die
Bahn 2 an der Formstation 5 für eine ausreichend lange Zeit
an der Formstation 5 halten kann, um die Einspritzung durchzuführen und
die Verfestigung des Kunststoffmaterials zu erhalten und immer noch
eine hohe Produktionsgeschwindigkeit zu erreichen.
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Die
Ziffer 7 gibt insgesamt ein Indexierungssystem zum stufenweisen
Zuführen
der Bahn 2 entlang der Einheit 1 an.
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Das
Indexierungssystem 7 umfaßt ein Paar von Vorschubwalzen 8, 9 an,
die mit gegenüberliegenden
Seiten der Bahn 2 zusammenwirken und von einem ersten Servomotor 10 angetrieben
werden. Genauer treibt der Servomotor 10 die Walze 8 mittels eines
ersten synchronen Getriebes 11, z. B. eines Zahnriemengetriebes
an; die Walze 9 drückt
die Bahn 2 gegen die Walze 8. Die Vorschubwalzen 8, 9 sind
oberhalb von der Stanzstation 3 entlang des Bahnpfades
P angeordnet.
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Der
Servomotor 10 wird derart gesteuert, daß die Bahn 2 durch
eine Steuereinheit 14 indexiert wird, die ein erstes Eingangssignal
S1 von einem optischen Leser 15 empfängt, der in der Nachbarschaft des
ersten Stanzwerkzeugs 3a angeordnet ist.
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Das
Indexierungssystem 7 umfaßt auch ein Paar von Ausgangswalzen 16, 17,
die unterhalb der Stationen entlang des Bahnpfades P angeordnet sind.
Die Ausgangswalzen 16, 17 wirken mit gegenüberliegenden
Seiten der Bahn 2 zusammen und werden von einem zweiten
Servomotor 18 angetrieben; der Servomotor 18 treibt
die Walze 16 mittels eines zweiten synchronen Getriebes 19,
z. B. eines Zahnriemengetriebes an; die Walze 17 drückt die
Bahn 2 gegen die Walze 16. Der Servomotor 18 wird
von der Steuereinheit 14 gesteuert, die ein zweites Eingangssignal
S2 von einem optischen Sensor 20 empfängt, der in der Nähe der Formstation 5,
z. B. unmittelbar oberhalb des ersten Formwerkzeugs 5a angeordnet ist;
der Sensor 20 erfaßt
geeignet die Position der von den Stanzstationen 3 hergestellten
Löcher 4,
und der Servomotor 18 wird von der Steuereinheit 14 nach
der Anzeige des Sensors 20 angehalten, so daß die Löcher 4 genau
innerhalb entsprechender Formhohlräume der Formstation 5 angeordnet
sind.
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Deshalb
wird die Bahn 2 unabhängig
sowohl an einer ersten Station wie der Stanzstation 3 in
Reaktion auf die Position eines ersten Indexierungscodes der Bahn,
d. h. des vorgedruckten Strichcodes C als auch an einer zweiten
Station wie der Formstation 5 in Reaktion auf die Position
eines zweiten Indexierungscodes, z. B. der Löcher 4 indexiert,
die auf der Bahn 2 an der Stanzstation 3 hergestellt
werden.
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Als
ein Ergebnis der unabhängigen
Indexierung der Bahn an den Vorschubwalzen 8, 9 und
den Ausgangswalzen 16, 17 können zwischen dem Bahnvorschub
und -ausgang Differenzen vorliegen; solche Differenzen werden von
einer Spanneinrichtung 21 aufgenommen, die zwischen der
Stanzstation 3 und der Formstation 5 entlang des
Pfades angeordnet und in 1 schematisch gezeigt ist. Nach der
vorliegenden Erfindung sind die Stanzwerkzeuge 3a, 3b, 3c und
die Formwerkzeuge 5a, 5b, 5c um einen
Abstand D voneinander beabstandet, der ein Mehrfaches, z. B. das
Zweifache der Bahnwiederhollänge
R ist.
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Die
Bahnzufuhr wird nach wiederholten Zufuhrzyklen gesteuert, die jeweils
einen ersten Zufuhrschritt mit einer Länge gleich 5R, d. h. fünfmal der Bahnwiederhollänge R, und
einen zweiten Zufuhrschritt mit einer Länge gleich der Wiederhollänge R umfassen.
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2 ist
ein Diagramm, das die Stanz- und Formoperationen zeigt, die in der
Stanzstation 3 und in der Formstation 5 während einiger
Zufuhrzyklen nach dem Anlassen durchgeführt werden, bis ein stetiger
Zustand erreicht ist. Die Löcher 4 sind
durch "X" angegeben, die Öffnungseinrichtungen 6 durch "O".
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Beim
Starten treiben die zwei Servomotoren 10, 18 die
Bahn 2 langsam an, bis der Strichcode C erfaßt wird,
dann werden die Servomotoren 10, 18 derart gesteuert,
daß die
Bahn 2 in der richtigen Position zum Lochstanzen positioniert
ist. Die ersten drei Löcher 4 werden
von den Stanzwerkzeugen 3a bzw. 3b, 3c gestanzt,
dann wird die Bahn 2 um eine Wiederhollänge vorgeschoben, d. h. wird
um 1R indexiert, und eine zweite Reihe von drei Löchern 4 wird
gestanzt, womit also mit den ersten drei Löchern eine kontinuierliche
Reihe von sechs Löchern
gebildet ist. Danach wird die Bahn 2 um 5R indexiert, drei Löcher 4 werden
gestanzt, dann wird die Bahn 2 um 1R indexiert und drei
Löcher 4 werden
gestanzt. Mit der nächsten
5R-Zufuhr erreicht der bereits gestanzte Abschnitt der Bahn 2 die
Formstation 5, drei mehr Löcher 4 werden an der
Stanzstation 3 gestanzt, und gleichzeitig werden der Öffnungseinrichtungen 6 von entsprechenden
Formwerkzeugen 5a, 5b, 5c an entsprechende
Löcher 4 eingespritzt.
Dann wird die Bahn 2 um 1R indexiert, so daß drei Löcher 4 gestanzt
werden und drei weitere Öffnungseinrichtungen 6 an
Zwischenpositionen bezüglich
der bereits geformten Öffnungseinrichtungen 6 geformt
werden.
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Das
Indexierungsverfahren nach dieser Ausführungsform der Erfindung umfaßt, wie
oben erläutert,
eine Aufeinanderfolge von Zufuhrzyklen jeweils aus einem ersten
Zufuhrschritt, in welchem die Bahn 2 um L1 = 5R vorgeschoben
wird, und einem zweiten Zufuhrschritt, in welchem die Bahn 2 um
L2 = 1R vorgeschoben wird.
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Der
Zufuhrzyklus kann unendlich wiederholt werden, um unter stetigen
Bedingungen eine ununterbrochene Aufeinanderfolge von Öffnungseinrichtungen 6 mit
einem relativen Abstand oder einer Teilung R gleich der Wiederhollänge der
Verpackungsmaterialbahn 2 herzustellen.
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3 ist
ein Diagramm, das die Stanz- und Formoperationen zeigt, die in einer
Stanzstation 3 durchgeführt
werden, die fünf
Stanzwerkzeuge 3a, 3b, 3c, 3d, 3e umfaßt, die
um D = 3R voneinander beabstandet sind, sowie in einer Formstation 5 mit fünf Formwerkzeugen 5a, 5b, 5c, 5d, 5e,
die um D = 3R voneinander beabstandet sind, und zwar während einiger
Zufuhrzyklen nach dem Start, bis eine stetige Bedingung erreicht
ist. Wieder sind die Löcher mit "X" angegeben, die Öffnungseinrichtungen 6 mit "O".
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Der
Start ist mutatis mutandis ähnlich
wie bei dem vorhergehenden Beispiel; die Formstation 3 wird
sofort aktiviert, während 5 anfänglich im
Leerlauf ist, bis sie von einem bereits gestanzten Abschnitt der
Bahn 2 erreicht wird. Beim Start ist die Zufuhrsequenz
1R, 1R, 13R, 1R, 1R, so daß eine
kontinuierliche Reihe von Löchern 4 hergestellt
wird, die um eine Wiederhollänge
beabstandet sind, wobei das zuerst gemachte Loch 4 eine
Wiederhollänge
(1R) vor der ersten Formeinheit 5a angeordnet ist (vgl.
Zeile 6 des Diagramms von 3). Durch
einen folgenden Zufuhrschritt von 13R wird der gestanzte Abschnitt
der Bahn 2 der Formstation 5 zugeführt, mit
dem ersten Loch 4 der Reihe an dem Formwerkzeug 5e;
fünf mehr
Löcher 4 werden
gemacht, und gleichzeitig werden fünf Öffnungseinrichtungen 6 geformt
wird. Zwei mehr 1R-Zufuhrschritte ermöglichen die Vervollständigung
des Zufuhrzyklus, wodurch eine kontinuierliche Reihe von Öffnungseinrichtungen
hergestellt wird, die an entsprechende Löcher 4 geformt sind.
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Das
Indexierungsverfahren nach dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung umfaßt, wie oben
erläutert,
eine Aufeinanderfolge von Zufuhrzyklen jeweils aus einem ersten
Zufuhrschritt, in welchem die Bahn 2 um L1 = 13R vorgeschoben
wird, einem zweiten Zufuhrschritt, in welchem die Bahn 2 um L2
= 1R vorgeschoben wird, und einem dritten Zufuhrschritt, in welchem
die Bahn 2 um L3 = 1R.
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Der
Zufuhrzyklus kann unendlich wiederholt werden, um unter stetigen
Bedingungen eine ununterbrochene Aufeinanderfolge von Öffnungseinrichtungen 6 mit
einem relativen Abstand oder einer Teilung R gleich der Wiederhollänge der
Verpackungsmaterialbahn 2 herzustellen.
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4 zeigt
diagrammartig einen Zufuhrzyklus einer Formstation 5, die
drei Formwerkzeugen 5a, 5b, 5c, die um
D = 3R beabstandet sind, d. h. dreimal der Wiederhollänge R nach
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung.
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Die
Stanzeinheit 3 ist nicht gezeigt, muß aber die gleiche Werkzeugzahl
und Beabstandung wie die Formeinheit 5 sowie den gleichen
Zufuhrzyklus haben, wie dies im folgenden beschrieben wird.
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Aus
dem Vergleich der verschiedenen Zeilen des Diagramms ist klar zu
ersehen, daß eine
mögliche
Zufuhrsequenz darin besteht, die Verpackungsmaterialbahn um Zufuhrlängen von
2R, 2R, 5R zuzuführen;
nach drei Zufuhrschritten ist der Zufuhrzyklus abgeschlossen, und
unter stetigen Bedingungen sind alle „Lücken" zwischen den vorher geformten Öffnungseinrichtungen 6 gefüllt.
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Der
Ausdruck „unter
stetigen Bedingungen" wird
hier derart verwendet, daß berücksichtigt
wird, daß komplexere
Indexierungsmuster einige „Lücken" am Beginn der Produktion
herstellen können,
was aus 5 und 6 deutlich
ist, so daß die
betreffenden Verpackungen entsorgt werden müssen, aber die Produktion nach
einem Zufuhrzyklus einen stetigen Zustand erreicht.
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Aus
einem Vergleich der Zufuhrzyklen von 2, 3 und 4 ist
zu bemerken, daß die Zahl
von Zufuhrschritten, die erforderlich sind, um „alle Lücken" unter stetigen Bedingungen zu füllen, d.
h. die Zahl von Zufuhrschritten, die einen Zufuhrzyklus bilden,
gleich der Zahl k von Wiederhollängen
ist, die den Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stanz- oder
Formwerkzeugen bilden. Ein weitere Eigenschaft besteht darin, daß die gesamte
Zufuhrlänge
L eines kompletten Zyklus 6R im ersten Fall ist (5R + R), 15R im
zweiten Fall (13R + R + R) und 9R im dritten Fall (2R + 2R + 5R),
d. h. gleich der Zahl n von Werkzeugen (3, 5 bzw.
3) multipliziert mit k, wie oben definiert (2 im ersten Fall, 3
im zweiten und im dritten Fall. Schließlich ist die letzte zu berücksichtigende
Eigenschaft, daß die
Zahl L1, L2, ... Lk von Wiederhollängen, die jedem einzelnen Zufuhrschritt entspricht,
nicht durch die Zahl k teilbar sein darf, wie oben definiert, so
daß vermieden
wird, daß zwei
aufeinanderfolgende Formoperationen an der gleichen Bahnstelle durchgeführt werden.
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Diese
Regeln gelten auch für
komplexere Sequenzen wie z. B. der in 5 dargestellten,
wo wieder fünf
Formwerkzeuge 5a, 5b ... 5e (n = 5) verwendet
werden, die um zwei Wiederhollängen
(k = 3) beabstandet sind. Die Zahl von Zufuhrschritten, die einen
Zufuhrzyklus bilden, ist 3; die Zufuhrlängen L1, L2, L3 dürfen nicht
ein Vielfaches von 3 sein und sind durch den folgenden Ausdruck
verknüpft: L1 + L2 + L3 = n*k = 15.
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Eine
weitere mögliche
Lösung
neben der oben unter Bezug auf 2 beschriebenen
ist L1 = 4; L2 = 7; L3 = 4. Allerdings sind auch andere Lösungen möglich.
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Die
Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der vorhergehenden
Beschreibung klar.
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Insbesondere
ermöglicht
das Indexierungsverahren nach der vorliegenden Erfindung, daß die Arbeitswerkzeuge
mit einem relativen Abstand angeordnet sind, der ein Vielfaches
der Wiederhollänge der
Verpackungsmaterialbahn ist; deshalb können Operationen, die relativ
große
Werkzeuge wie Formwerkzeuge erfordern, von mehreren, parallel wirkenden
Werkzeugen auch bei der Herstellung kleiner Verpackungen durchgeführt werden,
d. h., wenn eine Verpackungsmaterialbahn mit einer Wiederhollänge R bearbeitet
wird, die kleiner als der minimale Abstand zwischen den Werkzeugzentren
ist, der von der Abmessung der Werkzeuge zugelassen ist.
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Natürlich können an
der hier beschriebenen Einheit 1 Änderungen vorgenommen werden,
ohne deshalb vom Umfang der vorliegenden Erfindung nach den Ansprüchen abzuweichen.
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Insbesondere
kann das Indexierungsverfahren der Erfindung auf nur eine oder mehr
als zwei Betriebsstationen angewandt werden, und die durchgeführte Bearbeitungsoperation
kann unterschiedlich sein; insbesondere kann eine Bearbeitungsoperation darin
bestehen, daß ein
Aufreißstreifen
aufgebracht wird.