DE60115871T2

DE60115871T2 - Ultraschallschweissverfahren sowie dazugehörige verpackungen

Info

Publication number: DE60115871T2
Application number: DE60115871T
Authority: DE
Inventors: Daniel Blanchard; Patrick Faul
Original assignee: Masterfoods SCS
Current assignee: Mars Inc
Priority date: 2000-04-05
Filing date: 2001-04-05
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2021-04-06
Also published as: CN1255262C; US20030168149A1; FR2807393A1; JP2003529467A; AU780998B2; WO2001074568A1; CN1434764A; US6824632B2; AU4847101A; DE60115871D1; CA2404371A1; EP1272332B1; FR2807393B3; EP1272332A1; CA2404371C; NZ521793A; BR0110055A; ATE312703T1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich in allgemeiner Weise auf die Vorgänge des Schweißens und des Schneidens von zumindest zwei übereinander angeordneten weichen Folien, mit Hilfe einer Vorrichtung der Bauart, die eine Sonotrode und einen Amboß aufweist, die zueinander weisend angeordnet sind, so daß ihre einander gegenüberliegenden Oberflächen einen Spalt für den Durchgang der miteinander zu verschweißenden, übereinander angeordneten Folien bilden, mit einem Einlaßabschnitt oder -querschnitt und einem Auslaßabschnitt oder -querschnitt, wobei die Sonotrode bei hohen Frequenzen schwingt, um Ultraschallwellen auszusenden.
Die Erfindung betrifft genauer gesagt ein Verfahren zum Schweißen und/oder zum Schneiden, wobei eine Vorrichtung des vorgenannten Typs eingesetzt wird, wobei das genannte Verfahren zum Schweißen und eventuell zum Schneiden von zwei weichen Filmen oder Folien eingesetzt werden kann.
Mehr im einzelnen beziehen sich die vorteilhaften Anwendungen des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung auf:

– das Schweißen und eventuell darüber hinaus das Schneiden, mit Hilfe einer Vorrichtung des vorgenannten Typs, von zwei seitlichen Rändern von weichen Verpackungen,
– wie auf das Verschließen durch Verschweißen, mit Hilfe einer Vorrichtung des genannten Typs, einer Verpackung, wie sie vorstehend genannt ist.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine weiche Verpackung, die insbesondere mit einem der Verfahren, die vorstehend genannt sind, realisiert ist.
Eine derartige Verpackung kann ausgehend von Kunststoffolien mit einer Schicht oder mit mehreren Schichten hergestellt werden.
Eine vorteilhafte, allerdings nicht begrenzende Anwendung der vorliegenden Erfindung ist die Herstellung von weichen Beuteln oder Tüten, die Nahrungsmittel enthalten, wie z.B. Nahrungsmittel für Tiere, wobei derartige Beutel oder Tüten im allgemeinen dazu bestimmt sind, nach ihrer Füllung und ihrem Verschließen hermetisch verschlossen und thermisch behandelt zu werden, wobei im folgenden Teil der vorliegenden Beschreibung die Bezeichnungen „Verpackung" oder „Beutel" ohne Unterschied verwendet werden, um weiche Verpackungen zu bezeichnen.
Derartige Beutel können, nachdem sie gefüllt worden sind, sterilisiert werden, dadurch daß sie in einer feuchten und unter Druck befindlichen Umgebung erhitzt werden.
Damit sie einer solchen thermischen Behandlung widerstehen, werden sie ausgehend von einer oder mehreren Folie(n) mit einer besonderen Struktur hergestellt.
Mehr im einzelnen dargestellt, werden sie im allgemeinen ausgehend von einer oder mehreren Folie(n) hergestellt, wobei jede Folie eine obere Schicht und eine untere Schicht aufweist, die dazu bestimmt sind, die äußere Seite und die innere Seite der genannten Verpackungen zu bilden, und die aus einem Kunststoffmaterial hergestellt sind, und wobei eine mittlere Schicht sandwichartig zwischen den genannten oberen und unteren Schichten angeordnet ist, die aus einem Leichtmetall hergestellt ist.
Noch mehr im einzelnen dargestellt, können die Folien, aus denen die Verpackungen hergestellt werden, die folgenden Eigenschaften aufweisen:

– die obere Schicht ist im allgemeinen eine Schicht aus Polyäthylenterephtalat, der eine Schicht aus Polyamid zugeordnet sein kann,
– die mittlere Schicht ist aus einem Material hergestellt, das dicht gegenüber Gas ist, insbesondere aus Aluminium, und die untere Schicht ist eine Schicht aus Polypropylen, der eine Schicht aus Polyamid zugeordnet sein kann,
– zwischen jeder Schicht ist ein Klebstoffauftrag vorgesehen, der ermöglicht, daß die unterschiedlichen Schichten untereinander verbunden werden,
– weiterhin kann die Schicht aus Polyäthylenterephtalat auf ihrer inneren Seite bedruckt sein, um die Außenseite des genannten Beutels zu dekorieren. Die Schicht aus Polyäthylenterephtalat dient nämlich im allgemeinen als Träger für eine Bedruckung und legt das äußere Erscheinungsbild des Beutels fest,
– die mittlere Schicht aus Aluminium bildet eine Barriere gegenüber Gas, insbesondere gegenüber Sauerstoff, und gegenüber Wasserdampf, um das Material, das im Inneren des Beutels enthalten ist, gegenüber der Umgebung zu isolieren,
– die Schicht aus Polyamid bildet eine Schicht gegen Durchlöcherungen, wenn dies in Abhängigkeit von der letztendlichen Anwendung des Beutels notwendig ist, und die Schicht aus Polypropylen dient als Schweißwerkstoff für die Konfektionierung des Beutels, sorgt für die allgemeine mechanische Standfestigkeit des Beutels und gewährleistet die Dichtigkeit im Bereich der Schweißnähte des genannten Beutels.

Derartige Beutel können feste Stoffe enthalten, feste Stoffe mit Feuchteigenschaften, Flüssigkeiten oder aber auch feste Stoffe und Flüssigkeiten gemeinsam.
Gegenwärtig weisen derartige Beutel unterschiedliche Formen auf. Sie können eben sein, mit drei oder vier Schweißnähten, oder mit Balgbereichen mit drei verschweißten Seiten und mit einem verschweißten Boden in Form eines Balgbereichs.
Derartige Beutel können auch zwei seitliche Balgbereiche aufweisen, oder zwei Balgbereiche, die im oberen und im unteren Teil des Beutels angeordnet sind, mit seitlichen verschweißten Rändern.
Eine Konfiguration, die verbreitet ist, da sie besonders einfach ist, von derartigen Beuteln ist die „flache" Konfiguration, bei der der Beutel einfach durch das Zusammensetzen von zwei Folienzuschnitten hergestellt wird. Ein derartiges Zusammensetzen wird in zwei Schritten ausgeführt.
In einem ersten Schritt stellt man einen Beutel her, von dem ein Rand offen bleibt, indem die beiden Folien auf drei von vier Seiten des Beutels verschweißt werden, der in den meisten Fällen eine im wesentlichen rechteckige Form aufweist.
Um diese Schweißung auszuführen, wird eine Folie bzw. ein Bogen verwendet, die entlang einer Linie, die später einen Rand des Beutels bildet, auf sich selbst umgelegt ist, oder aber zwei getrennte Folien, die übereinandergelegt werden.
In den beiden Fällen kann die Verschweißung der Seiten der Folien gemeinsam mit einem Schnitt erfolgen, um jede Folie oder jeden Folienbogen von einer Kunststoffolie abzutrennen.
In einem zweiten Schritt schließt man die erste Seite des Beutels nach seiner Füllung, wobei dieses Verschließen ebenfalls durch einen Schweißvorgang ausgeführt wird, der ebenfalls gemeinsam mit einem Schnitt durchgeführt werden kann.
In allen diesen Fällen sollen die ausgeführten Schweißvorgänge gewährleisten:

– eine sehr gute Dichtigkeit des Inneren des Beutels nicht nur gegenüber Flüssigkeit, sondern auch gegenüber Gas, und insbesondere dann, wenn der Beutel flüssige, feuchte oder verderbliche Produkte enthält,
– ebenso wie eine sehr gute mechanische Formstabilität des Beutels.

Die Arbeitsvorgänge des Schweißens, die ausgeführt werden, um derartige Beutel herzustellen, werden im allgemeinen gemäß der Technologie des Schweißens durch Wärmeleitung ausgeführt, der Ränder, die sich in der Nähe der Seiten eines jeden Beutels befinden, auf eine solche Weise, daß die innere Schicht aus Polypropylen einer jeden Seite durch Wärmeleitung durch die mittlere Schicht aus Aluminium hindurch erwärmt wird.
Anschließend an den Schweißvorgang durch Wärmeleitung ist eine Abkühlung vorgesehen, die die auf diese Weise hergestellte Schweißnaht verfestigt.
Die Schweißnaht, die durch einen derartigen Vorgang hergestellt wird, weist im allgemeinen eine Breite von mehreren Millimetern auf, um die Dichtheit der Versiegelung und das Widerstandsvermögen zu garantieren.
Allerdings wäre es von Vorteil, wenn man die Breite der Schweißnaht verringern könnte, um Materialeinsparungen realisieren zu können.
Derartige Beutel werden nämlich im allgemeinen in sehr großen Mengen hergestellt, so daß es für die Hersteller von Interesse ist, sämtliche möglichen Einsparungen in Bezug auf den Herstellungspreis je Einheit der Beutel aufzufinden, wobei die relativ große Breite der Schweißnaht somit einen ersten Nachteil der Schweißung durch Wärmeleitung darstellt.
Im übrigen stellt sich die Umsetzung dieses Verfahrens zum Schweißen durch Wärmeleitung bei Folien aus Kunststoff, die kontinuierlich vorbeilaufen, als problematisch heraus, insbesondere aufgrund der Tatsache, daß Reibungskräfte zwischen den feststehenden Elementen und den beweglichen Elementen der Schweißvorrichtung vorhanden sind.
Diese Art von Verfahren wird aus diesem Grunde im allgemeinen gemäß einer geteilten Betriebsart eingesetzt, mit Folien, die Schritt für Schritt vorbeilaufen.
Außerdem weist das Prinzip der Schritt für Schritt erfolgenden Verschweißung eine Grenze der Taktgeschwindigkeit auf. Selbst wenn ein gleichzeitiges Vorrücken von zwei Beuteln je Schritt ausgeführt wird, erreicht dieses Verfahren seine mechanischen Grenzen der Funktion insbesondere aufgrund der Tatsache, daß die Beutel vor und nach der Schweißstation zunächst verzögert und dann beschleunigt werden müssen, und weil das System eine bestimmte Trägheit besitzt.
Um die Taktgeschwindigkeit der Versiegelung von solchen Verpackungen oder Beuteln zu steigern, und um beispielsweise von einer Taktgeschwindigkeit von 120 Verpackungen pro Minute, welches die aktuelle Grenze der Taktgeschwindigkeit für die Verfahren zur Schweißung durch Erhitzung darstellt, zu einem wesentlich höheren Wert von der Größenordnung von 500 Verpackungen pro Minute oder mehr zu gelangen, faßt man ins Auge, eine Vorrichtung zur Verschweißung mittels Ultraschall einzusetzen, bei der die Verpackungen kontinuierlich vorbeilaufen.
Auf diesem Gebiet sind bereits anhand der Dokumente EP 333 390 und GB-A-952 581 Vorrichtungen zum Verschweißen mittels Ultraschall zwischen einem Amboß und einer Sonotrode, die bei einer Ultraschallfrequenz oszilliert, bekannt, von zumindest zwei übereinander angeordneten Folien oder Folienzuschnitten, die aus einem Kunststoffmaterial hergestellt sind und kontinuierlich entlang eines vorbestimmten Wegs vorbeilaufen.
Die Vorrichtungen zum Verschweißen mittels Ultraschall, die in diesen vorgenannten Dokumenten beschrieben sind, weisen als gemeinsames Merkmal einen Spalt für den Durchgang der beiden übereinander angeordneten, zu verschweißenden Folien auf, der zwischen den einander gegenüberstehenden Oberflächen der Sonotrode und des Ambosses gebildet wird, und der einen Querschnitt aufweist, der zwischen seinem Einlaß und seinem Auslaß zunächst kleiner wird und dann größer wird.
Gemäß dem Dokument EP 333 390 ist diese Konfiguration des Querschnitts des Spalts für den Durchgang ausschließlich dafür ausgebildet, damit die Kraft, die durch die Vorrichtung auf die zu verschweißenden Oberflächen aufgebracht wird, auf der gesamten Länge des Schweißspalts homogen ist.
Allerdings weist nichts darauf hin, daß die Konfiguration gemäß der EP 333 390 die Möglichkeit bietet, die Breite der Schweißnähte wesentlich zu reduzieren.
Außerdem ist die Vorrichtung nach der EP 333 390 nicht dafür bestimmt, einen Schnitt der zu verschweißenden Folien auszuführen. Es wird im Gegenteil ausgeführt, daß man für die Anwendungen der Vorrichtung, die in diesem Dokument beschrieben sind, bemüht ist, jeglichen Schnitt oder eine Durchdringung der miteinander zu verschweißenden Materialen zu verhindern.
Allerdings kann es; wie bereits ausgeführt worden ist, wünschenswert sein, gemeinsam mit der Verschweißung der Folien einen Schnitt auszuführen, insbesondere in dem verbreiteten Fall, in dem man in ein und demselben Schritt ausführen möchte:

– einen Schnitt, um die Folienzuschnitte des Beutels ausgehend von kontinuierlich vorbeilaufenden Folien zu bilden,
– und die Verschweißung der Ränder der umgefalteten Folie, oder der aufeinandergelegten Folien, im Hinblick auf die Bildung des Beutels.

Auf diese Weise ermöglicht es die Vorrichtung nach der EP 333 390 nicht, die Ziele der Hersteller, wie sie weiter oben vorgestellt worden sind, auf eine zufriedenstellende Weise zu erreichen, nämlich eine spürbare Verringerung der Breite der Schweißnaht, während gleichzeitig eine erhöhte Taktgeschwindigkeit möglich ist und sehr gute Qualitäten hinsichtlich der mechanischen Standfestigkeit und der Dichtigkeit gewährleistet werden, ebenso wie die Möglichkeit, daß ein gleichzeitig mit der Verschweißung erfolgender Schnitt ausgeführt wird.
Dies gilt in gleicher Weise für die Vorrichtung nach der GB-A-952 581.
In Bezug auf die Breite der Schweißnaht wird nämlich ausgeführt, daß die Vorrichtung nach diesem Dokument darauf gerichtet ist, diese relativ groß zu halten, indem die Breite der Kontaktzone zwischen den zu verschweißenden Folien und der Vorrichtung vergrößert wird (die Breite der Schweißnaht ist in dem Fall der Vorrichtung nach der GB-A-952 581 stets kleiner als die der Kontaktzone zwischen den Folien und der Vorrichtung).
Außerdem erwähnt dieses Dokument ebenfalls nicht die Möglichkeit, einen Schnitt in den zu verschweißenden Folien herzustellen.
Im übrigen ist aus der EP 498 364 eine Vorrichtung zum Verschweißen und Schneiden von kontinuierlich vorbeilaufenden Folien bekannt.
Bei dieser Vorrichtung ist eine Schneidklinge stromab von der Sonotrode zur Verschweißung angeordnet, in der Richtung des Vorbeilaufs der Folien. Die Sonotrode und die Schneidklinge bilden zwei getrennte Elemente, die jeweils die Funktionen des Verschweißens bzw. des Schneidens wahrnehmen.
Ein Nachteil, der mit einer solchen Konfiguration verbunden ist, besteht darin, daß es sehr schwierig ist, eine geringe Breite der Schweißnaht zu erhalten: die Schneidklinge, die sich unterhalb oder stromab der Sonotrode befindet, muß nämlich die Schweißnaht in ihrer Mitte treffen.
Weiterhin ist es auf diese Weise notwendig, eine Schweißnaht vorzusehen, die ausreichend breit ist, damit sichergestellt, daß die Schneidklinge die genannte Schweißnaht genau in ihrem mittleren Bereich trifft.
Im übrigen wird in der EP 498 364 darauf hingewiesen, daß die Verkleinerung der Breite der Schweißnähte in keiner Weise eine Aufgabe ist, die durch die Vorrichtung gemäß dieses Dokuments gelöst werden soll: im Gegenteil versucht man, „Schweißnähte, die breiter sind als die, die durch die herkömmlichen Vorgehensweisen erhalten werden" zu erhalten, wobei auf Sp. 4, Z. 52–54 dieses Dokuments verwiesen sei.
Weiterhin besteht ein zusätzlicher Nachteil, der mit der Vorrichtung nach der EP 498 364 zusammenhängt, darin, daß es schwierig ist, eine sehr gute Symmetrie des Schnittprofils der Folie zu erhalten, d.h. zu erreichen, daß die beiden Seiten des Schnitts die gleiche Breite der Schweißnaht aufweisen. Dieser Nachteil leitet sich ebenfalls aus der Tatsache ab, daß die Schweißnaht und der Schnitt nacheinander ausgeführt werden, und nicht gleichzeitig. Dies kann zu Inhomogenitäten der Produktion führen.
Schließlich sind noch Dokumente bekannt, aus denen Vorrichtungen hervorgehen, bei denen Ultraschall eingesetzt wird, um nicht nur eine Verschweißung, sondern ebenfalls einen Schnitt der Folien zu erzielen. Ein Beispiel für eine solche Vorrichtung kann in dem Dokument FR 2 665 683 gefunden werden.
Allerdings ermöglicht es die Vorrichtung, die in diesem Dokument beschrieben ist, nicht, kontinuierlich vorbeilaufende Folien zu verarbeiten, so daß die damit verbundene Taktgeschwindigkeit durch den geteilten oder unterbrochenen Charakter des Verfahrens begrenzt ist. Außerdem findet sich keinerlei Hinweis in diesem Dokument in Bezug auf die Breite der Schweißnähte.
Die EP-A-1 154 892 stellt ein Dokument des Stands der Technik im Sinne des Artikels 54(3) und (4) EPÜ dar und zeigt eine Vorrichtung zum Schweißen mittels Ultraschall, die eine Sonotrode und einen Amboß aufweist, die zwischen sich einen konvergierenden Spalt bilden, wobei der Amboß ein spitzes Profil aufweist. Dieses Dokument zeigt weiterhin ein Verfahren zum Verschließen von weichen Verpackungen unter Verwendung einer derartigen Schweißvorrichtung.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Nachteile, die vorstehend genannte worden sind, zu vermeiden.
Um dieses Ziel zu erreichen, schlägt die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von weichen Verpackungen vor, so wie es in Anspruch 1 festgelegt ist. Die Erfindung schlägt außerdem ein Verfahren zum Schließen einer weichen Verpackung vor, wie es in Anspruch 3 festgelegt ist. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf bevorzugte Ausführungsformen dieser V erfahren.
Schließlich schlägt die Erfindung auch weiche Verpackungen vor, wie sie in den Ansprüchen 20 und 21 festgelegt sind. Die abhängigen Ansprüche 22 bis 26 beziehen sich auf bevorzugte Ausführungsformen der Verpackung gemäß Anspruch 21.
Die Beschreibung, die im Hinblick auf die beigefügten Zeichnungen folgt, die lediglich beispielhaft und nicht beschränkend sein sollen, dient dem Verständnis dessen, woraus die Erfindung besteht und wie sie realisiert werden kann. In den beigefügten Zeichnungen zeigt:
1 eine schematische und perspektivische Ansicht der Sonotrode und des Ambosses einer Vorrichtung zum Verschweißen mittels Ultraschall,
2 eine schematische Ansicht im Längsschnitt als Einzelheit in zehnfacher Vergrößerung von der Sonotrode und dem Amboß der Vorrichtung zum Verschweißen mittels Ultraschall,
3 und 4 schematische Ansichten von der Seite und von oben, von der Vorrichtung zum Verschweißen mittels Ultraschall, gemäß einer Ausführungsform, die besonders gut an eine Anwendung zum Schließen von Beuteln angepaßt ist, deren seitliche Ränder bereits zusammengefügt sind,
5 eine schematische Darstellung im Querschnitt von zwei übereinander angeordneten Folien, die in einer Vorrichtung aufgenommen sind, um gemeinsam verschweißt und eventuell geschnitten zu werden,
6 eine graphische Darstellung, die den Verlauf eines Merkmals und des mechanischen Widerstands eines Beutels zeigt, der gemäß der Erfindung hergestellt ist, in Abhängigkeit von dem Verlauf von Parametern des Verfahrens gemäß der Erfindung,
7 eine prinzipielle Ansicht im Querschnitt von zwei aus mehreren Schichten bestehenden Folien, die gemäß der Erfindung miteinander verschweißt sind, und
8 eine Ansicht, die äquivalent zu 7 ist, und in der die beiden Folien geschnitten worden sind.
In den Zeichnungen ist schematisch eine Vorrichtung zum Schweißen mittels Ultraschall 100 von mindestens zwei übereinander angeordneten Folien 1, 2 dargestellt, die aus Kunststoffmaterial hergestellt sind, beispielsweise aus Polypropylen, und die fortlaufend entlang eines festgelegten Wegs F vorbeilaufen.
In dieser Hinsicht weist die Vorrichtung ein Mittel auf, um die Folien vorbeilaufen zu lassen. Solche Mittel können bekannt sein und werden im folgenden nicht weiter beschrieben.
Es wird darauf hingewiesen, daß auch dann, wenn die Beispiele, die nachfolgend im einzelnen beschrieben werden, sich auf Beutel beziehen, die in einfacher Weise ausgehend von zwei Folien 1 und 2 hergestellt sind, die Erfindung ebenfalls besonders vorteilhafte Anwendungen bei der Herstellung von Beuteln ausgehend von Folien mit mehreren Schichten des weiter oben genannten Typs findet, d. h. mit einer Aluminiumschicht, die sich zwischen zwei Kunststoffschichten befindet.
Die Vorrichtung 100 weist eine Sonotrode 101 auf, die bei hohen Frequenzen vibriert, um Ultraschallwellen auszusenden, und einen Amboß 102. Die Sonotrode 101 und der Amboß 102 sind einander gegenüberliegend angeordnet, so daß ihre Oberflächen 101', 102' die zueinander weisen, einen Zwischenraum oder Spalt für den Durchgang 103 von zwei übereinander liegenden Folien 1, 2 festlegen, die zu verschweißen sind, wobei dieser Spalt für den Durchgang einen Eintrittsabschnitt oder -querschnitt 104 und einen Austrittsabschnitt oder -querschnitt 105 aufweist.
In dem Beispiel, das in 3 und 4 dargestellt ist, erstrecken sich die Sonotrode 101 und der Amboß 102 in einer Ebene, die im wesentlichen horizontal ist, und die übereinander angeordneten Folien, die zu verschweißen sind, sind dazu bestimmt, in einer im wesentlichen vertikalen Ebene vorbeizulaufen.
Selbstverständlich kann man vorsehen, gemäß einer nicht dargestellten Variante die Sontrode und den Amboß in vertikaler Richtung anzuordnen, wobei dann die übereinander angeordneten, zum verschweißenden Folien in einer horizontalen Ebene vorbeilaufen.
Die Höhe des Einlaßabschnitts 104 und des Spalts für den Durchgang 103 ist geringfügig größer als die Summe der Dicken der beiden zu verschweißenden übereinander angeordneten Folien 1, 2. Hier beträgt die Dicke der übereinander angeordneten Folien, die zu verschweißen sind, in der Größenordnung von 200 μm, und die Höhe des Einlaßabschnitts 104 beträgt etwa 220 μm. Dies ermöglicht den Folien, die zu verschweißen sind, ohne Probleme in den Spalt für den Durchgang einzutreten, der zwischen der Sonotrode und dem Amboß der Vorrichtung zum Schweißen mittels Ultraschall vorgesehen ist.
Gemäß einem ersten besonders vorteilhaften Merkmal der Vorrichtung 100 zum Schweißen mittels Ultraschall konvergieren die einander gegenüberstehenden Oberfläche 101', 102' der Sonotrode 101 und des Ambosses 102 zueinander auf eine solche Weise, daß sich der Querschnitt des genannten Spalts für den Durchgang 103 fortlaufend zwischen seinem Einlaßabschnitt 104 und seinem Auslaßabschnitt 105 verkleinert, wobei insbesondere auf 2 verwiesen sei.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Oberflächen 101' und 102' von ebenen Oberflächen gebildet, und der Amboß 102 ist feststehend. In dem Beispiel, das speziell beschrieben ist, ist der Einlaßabschnitt 104 des Spalts für den Durchgang 103 um einen Faktor von ungefähr 1,3 größer als der Auslaßabschnitt 105 des genannten Spalts 103.
Auf diese Weise beträgt die Höhe des Auslaßabschnitts 105 des genannten Spalts 103 hierbei in der Größenordnung von 170 μm. Diese Höhe von 170 μm ergibt eine Dicke der Schweißung, die durch die Vorrichtung zum Schweißen realisiert wird, von der Größenordnung 135 μm.
Während die übereinander liegenden Folien 1, 2 mit einer konstanten Geschwindigkeit vorbeilaufen, weist der Spalt für den Durchgang 103, der zwischen der Sonotrode 101 und dem Amboß 102 festgelegt ist, eine bestimmte Länge L in Abhängigkeit von der festgelegten Geschwindigkeit des Vorbeilaufs der genannten Folien auf, die konstant oder veränderlich sein kann, für eine Kontaktzeit der in Schwingung befindlichen Sonotrode und des Ambosses 102 mit den genannten Folien 1, 2, die auf eine solche Weise gewählt ist, daß eine dichte Verschweißung der Folien untereinander auf einer festgelegten Breite der Schweißung erhalten wird.
Gemäß dem dargestellten Beispiel ist die Geschwindigkeit des Vorbeilaufs der genannten Folien konstant und beträgt in der Größenordnung von 62,5 m pro Minute, woraus sich eine Länge des Spalts für den Durchgang ergibt, die ungefähr gleich 75 mm ist, für eine Kontaktzeit von 72 Millisekunden und eine Breite der Schweißbahn von etwa 1 Millimeter.
Wie mehr im einzelnen in 3 dargestellt ist, und gemäß einer weiteren wesentlichen Eigenschaft der vorliegenden Erfindung, weist die Oberfläche 102' des Ambosses 102, die der Sonotrode 101 gegenüberliegt, ein Profil in Form einer Spitze auf, das durch geneigte Wände 102a, 102b gebildet wird, die einen spitzen Winkel zwischen sich einschließen. Bei dieser Ausführung liegt der Winkel, der zwischen den geneigten Wänden 102a, 102b gebildet ist, in der Größenordnung von 140°. Dieser Winkel kann in jedem Falle in einem Bereich liegen, der sich von 120 bis 160° erstreckt.
Auf diese Weise schließen die Wände 102a, 102 des Ambosses und die ebene Oberfläche der Sonotrode, die einander gegenüberliegen, einen Winkel ein, der hierbei in der Größenordnung von 20° liegt.
Auf diese Weise bildet man mit Hilfe einer derartigen Vorrichtung zum Schweißen zwischen den Folien, die zu verschweißen sind, und der Vorrichtung zum Schweißen, und mehr im einzelnen zwischen dem Amboß und der Sonotrode, eine Kontaktzone, die im wesentlichen der Linie des Scheitels des Ambosses entspricht.
Außerdem ist die Kontaktzone extrem schmal und weist eine Breite auf, die geringer als ein Millimeter ist, wobei die Spitze des Profils des Ambosses in Wirklichkeit einen Krümmungsradius hat, der weniger als 1 mm beträgt, beispielsweise 0,5 mm oder in bevorzugter Weise 0,25 mm.
Als Folge davon hat die Schweißlinie in den beiden übereinander liegenden Folien aus Kunststoffmaterial, die eine Dicke in der Größenordnung von 135 μm aufweist, eine Breite in der Größenordnung eines Millimeters, was einen wesentlichen Fortschritt in bezug auf die Eigenschaften der bekannten Vorrichtungen darstellt.
Es ist wichtig festzustellen, daß die Konfiguration der Vorrichtung zum Schweißen in Kombination aufweist:

– einen konvergierenden Spalt 103, der in dem weiter oben beschriebenen Beispiel durch die ebenen Oberflächen des Ambosses und der Sonotrode festgelegt ist,
– und ein Profil in Form einer Spitze der Oberfläche 102' des Ambosses, in einer solchen Weise, daß eine scharfe Kante gebildet wird,

Diese Konfiguration ermöglicht es nämlich, in dem Spalt 103 die Folien 1, 2 aufzunehmen, die zu verschweißen sind und die fortlaufend in bezug auf den Amboß und die Sonotrode vorbeilaufen, und gegenüber der Linie des Scheitels des Ambosses eine Schweißung der Folien mit einer sehr geringen Breite zu realisieren.
Mehr im einzelnen, und wie in 5 dargestellt ist, auf der wie in 1 die Winkel und die Abmessungen nicht maßstabsgerecht sind, wobei diese Darstellung lediglich das Prinzip der vorliegenden Erfindung erläutert, ist es so, daß die Kombination aus der Konvergenz der im wesentlichen ebenen Oberflächen der Sonotrode 101 und des Ambosses 102, mit dem spitzenförmigen Profil dieses Ambosses, nicht nur die Möglichkeit schafft, die Folien 1 und 2 zu verschweißen, die fortlaufend entlang der Richtung F in bezug auf den Amboß und die Sonotrode vorbeilaufen.
Es ist nämlich so, daß aufgrund der Form des Ambosses, der Orientierung der Kante dieses Ambosses parallel zu der Richtung der relativen Bewegung zwischen den Folien, die zu verschweißen sind, und des Abstands zwischen dem Amboß und der Sonotrode, wobei die Amplitude der Schwingungen der Sonotrode auf eine solche Weise festgelegt ist, daß die Sonotrode dem Amboß am Ende einer Schwingung sehr nahekommen kann und den Amboß sogar berühren kann, bei der Anwendung des mit der Schweißung kombinierten Schnitts, das Material der Folien 1 und 2 auf die Seiten zurückgedrängt wird und einem Fließvorgang zu beiden Seiten der Kontaktzone Z unterworfen ist, die sich in der Mitte des Spalts für den Durchgang 103 befindet.
Dieser Fließvorgang erzeugt auf diese Weise auf jeder Seite der Kontaktzone Z einen Wulst B, in dessen Innerem sich die Materialien, aus denen die Folien 1 und 2 bestehen, vermischen und eine Mischung bilden, die eine extrem feste Verbindung erzeugt.
Auf diese Weise umfaßt die Schweißnaht zwischen den Folien 1 und 2 die beiden Wülste B, die sich in Längsrichtung entlang der Folien erstrecken, wobei jeder dieser beiden Wülste für sich eine primäre Schweißnaht bildet.
Die Anmelderin hat Versuche hinsichtlich der Zugfestigkeit der beiden Folien vorgenommen, die mit Hilfe dieser Technik miteinander verschweißt worden waren, wobei die entsprechenden Ergebnisse in 6 dargestellt ist.
Mehr im einzelnen dargestellt, zeigt diese Abbildung in Newton auf der rechten Ordinatenachse die Zugkraft N, die dem Bruch bzw. Riß der mechanischen Verbindung zwischen den beiden miteinander verschweißten Folien entspricht (mit dicken Strichen ausgezogene Linie), und auf der Abszissenachse die Höhe in bezug auf den Spalt 103, d. h. den Abstand zwischen der Spitze des Ambosses und der Fläche 101' der Sonotrode, wenn sich die genannte Sonotrode in ihrer Bezugsposition befindet, um die sie oszilliert, in Mikrometern.
Die Ergebnisse nach 6 machen deutlich, daß die Größe der Bruchfestigkeit durchaus ausreichend ist, in der Größenordnung von 20 bis 35 Newton, oder sogar mehr. Die Ergebnisse zeigen jedenfalls, daß es einen Bereich der Werte der Höhe in bezug auf den Spalt 103 gibt, der in dem beschriebenen Fall zwischen 140 und 150 μm liegt, für den die Zugfestigkeit N groß ist, mit einem Maximum für eine Höhe von 150 μm.
Die Ordinatenachse auf der linken Seite zeigt in Watt die Leistung an, die von der Vorrichtung für das Verschweißen verbraucht wird (in dünnen Strichen ausgezogene Linie).
Diese Leistung steigt von 200 Watt auf 340 Watt an, wenn die Bezugshöhe von 170 auf 110 μm abnimmt.
Ein Ergebnis des weiter oben beschriebenen Fließens besteht darin, daß die Breite der Schweißzone, die durch die beiden Wülste B begrenzt ist, wie bereits ausgeführt lediglich in der Größenordnung von 1 mm liegt, wobei jeder Wulst für sich gesehen eine Breite von deutlich unterhalb eines Millimeters aufweist.
Ein weiteres Ergebnis dieser Konfiguration und des zugehörigen Fließens, welches die weiter oben beschriebene Vermischung bewirkt, liegt in der sehr guten Qualität der hergestellten Verschweißung im Bereich eines jeden Wulstes, im Hinblick auf die Dichtheit und die mechanische Widerstandsfähigkeit, in Kombination mit der sehr geringen Breite der Schweißnähte, die den Wülsten entsprechen.
Mehr im einzelnen dargestellt, hat die Anmelderin Tests betreffend die Dichtigkeit gegenüber Luft bei Beuteln ausgeführt, bei denen die Folien, die jeweils aus drei Schichten, darunter eine zentrale Schicht aus Aluminium gebildet sind, mittels des vorstehend beschriebenen Verfahrens verschweißt worden sind.
Die Ergebnisse haben gezeigt, daß die Dichtigkeit der Beutel, die auf diese Weise erhalten worden sind, um einen Faktor 10 größer waren als die Werte, die üblicherweise angestrebt werden, wobei die ermittelten Raten des Entweichens von Luft in der Größenordnung von 2,4 × 10^–4 cm³ Luft je Beutel und Tag waren, bei einem Beutel, dessen vier Seiten auf diese Weise verschweißt worden waren.
Man wird weiterhin feststellen, daß dieses Verfahren bei Folien eingesetzt werden kann, die kontinuierlich vorbeilaufen, wobei ein Durchsatz in der Größenordnung von 500 Beutel pro Minute oder mehr für die Verschweißung möglich ist, und eine Geschwindigkeit des Vorbeilaufs der Folien in bezug auf die Vorrichtung in der Größenordnung von 25 m pro Minute für die Anwendungen mit einem Schnitt.
Man stellt ebenfalls fest, daß aufgrund der Tatsache, daß der Spalt 103 durch zwei ebene Flächen oder Wände festgelegt ist, nämlich die entsprechenden ebenen Oberfläche der Sonotrode 101 und des Ambosses 102, die Verringerung der Höhe des genannten Spalts vollkommen regelmäßig ist. Dies ermöglicht den Einsatz der vorliegenden Erfindung bei Folien, die mit einer großen Geschwindigkeit vorbeilaufen, so daß es möglich ist, den Herstellungstakt zu steigern.
Eine weitere vorteilhafte Auswirkung dieser geometrischen Konfiguration, bei der die Flächen des Ambosses und der Sonotrode, die einander gegenüberstehen, eben sind, liegt darin, daß die Länge der Kontaktzone zwischen dem Amboß und der Sonotrode beträchtlich vergrößert wird, im Vergleich zu den bekannten Konfigurationen, bei denen eines der Elemente, entweder der Amboß oder die Sonotrode, nicht eben ist, beispielsweise bei einem kreisförmigen Amboß, der es nicht ermöglicht, daß eine Kontaktzone mit einer begrenzten Länge zwischen dem Amboß und der Sonotrode erhalten wird.
Dies ermöglicht es, die Verschweißung und ggf. auch den Schnitt in einer progressiven Weise zu realisieren, was ebenfalls einen Faktor bildet, der die Möglichkeit schafft, die Geschwindigkeit des Vorbeilaufens der Folien zu steigern. Weiterhin bietet die Konfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu einer Konfiguration, bei der der Amboß beispielsweise kreisförmig ist und drehbar gehalten ist, um den Vorbeilauf der Folien zu begleiten, den Vorteil, daß wesentlich weniger Regelung und Einstellung von möglichem Spiel notwendig ist, da das einzige bewegliche Teil der Vorrichtung die Sonotrode ist.
Anstelle eines Profils in Form einer Spitze, das durch zwei Ebenen festgelegt ist, die eine geradlinige Kante bilden, kann der Amboß jegliches vorstehende Profil aufweisen, welches eine spitze oder scharfkantige Kante bildet, sofern nur die Kontaktzone zwischen den Folien und der Vorrichtung sehr schmal ist, in der Größenordnung eines zehntel Millimeters, und die folgende Kombination vorhanden ist:

– eine Konvergenz des Spalts in Richtung des Vorbeilaufs der Folien, und
– das Vorhandensein einer vorspringenden Kante des Ambosses.

Es ist ebenfalls möglich, in einem konvergierenden Spalt 103 eine enge Kontaktzone entlang einer Kante zu realisieren, die nicht zu dem Amboß 102 gehört, sondern zu der Sonotrode, wobei die Fläche(n) des Ambosses, die in Richtung auf die Sonotrode weist bzw. weisen, ein ebenes Profil haben können, oder ein sonstiges Profil. Es ist ebenfalls möglich, daß der Amboß und die Sonotrode beide jeweils ein vorspringendes Profil aufweisen.
Man wird allerdings dennoch bevorzugen, daß das in Form einer Kante vorspringende Profil dem Amboß und ausschließlich diesem zugeordnet ist, da es bekannt ist, daß die Seite der Folien, die in Richtung auf die Sonotrode weist, diejenige ist, die dem größten Teil der mechanischen Spannungen unterworfen ist, was an den Schwingungen der Sonotrode liegt. Daher ist es zu bevorzugen, um eine Beschädigung der Folien, die verschweißt werden, zu verhindern, daß lediglich der Amboß ein vorspringendes Profil aufweist.
Die Sonotrode 101 schwingt bei einer Frequenz, die etwa zwischen 20 und 40 kHz liegt, und für die Verschweißung bei einer Amplitude, die zwischen 10 und 100 μm liegt und vorzugsweise etwa gleich 70 μm ist.
Es sind Einstellschrauben 110 vorgesehen, die es ermöglichen, die Position der Sonotrode in bezug auf den Amboß in der horizontalen Ebene einzustellen. Es ist ebenfalls ein Komparator 113 vorgesehen, der es ermöglicht, den Spalt zwischen dem Amboß 102 und der Sonotrode 101 einzustellen.
Weiterhin ermöglichen es die Einstellschrauben 105, den Winkel zwischen der Sonotrode 101 und dem Amboß 102 einzustellen.
Dieses Einstellsystem ermöglicht es, in Abhängigkeit der Dicken der Folien, die zu verschweißen sind, die relativen Positionen der Sonotrode und des Ambosses und somit die Höhe des Einlaßabschnitts und des Auslaßabschnitts des Spalts für den Durchgang der genannten Folien einzustellen.
In bevorzugter Weise ermöglicht es diese Vorrichtung 100 zum Verschweißen mittels Ultraschall, Folien aus einem Kunststoffmaterial, die übereinander angeordnet sind, zu verschweißen, wobei diese bei einer Geschwindigkeit vorbeilaufen, die zwischen 50 und 100 m pro Minute liegt, vorzugsweise zwischen 60 und 80 Meter pro Minute.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung und unter bevorzugter Bezugnahme auf 7 und 8 kann die Vorrichtung zum Verschweißen mittels Ultraschall, die vorstehend unter Bezugnahme auf die Verschweißung der beiden Folien 1 und 2 beschrieben worden ist, in bevorzugter Weise zum Herstellen und/oder Verschließen von Verpackungen eingesetzt werden, die zwei Seitenteile aufweisen, die an ihren seitlichen Rändern verbunden sind, wobei jedes Seitenteil eine innere und eine äußere Fläche aus einem Kunststoffmaterial und eine zentrale Schicht aus Leichtmetall aufweist, die sandwichartig zwischen den beiden inneren und äußeren Flächen eingeschlossen ist.
Gemäß einem Verfahren zum Verschließen durch Verschweißung gemäß der vorliegenden Erfindung laufen die Verpackungen auf einem Tisch eine nach der anderen vorbei, wobei sie vertikal angeordnet sind, womit in diesem Fall die horizontale Position der Sonotrode und des Ambosses verbunden ist, so wie sie in 3 und 4 dargestellt ist.
Mit Hilfe der Vorrichtung zum Verschweißen 100 realisiert man im Bereich der oberen Ränder der Seitenteile einer jeden Verpackung, die mit einer bestimmten Geschwindigkeit zur Verschweißung mittels Ultraschall vorbeilaufen, die konstant oder variabel ist, innen liegende Flächen der Seitenteile einer jeden Verpackung, entlang einer Schweißnaht, die zumindest über den größeren Teil der Breite einer jeden Verpackung verläuft, und insbesondere auf der Breite der Verpackung.
Die Verpackungen, die hier verwendet werden, sind von der Art, daß die zentrale Schicht C2 von jedem ihrer Seitenteile 1, 2 aus Aluminium besteht, die innere Seite bzw. Fläche von jedem ihrer Seitenteile eine Schicht C1 aus Polypropylen oder eine Schicht aus Polyamid und eine Schicht aus Polypropylen aufweist, und die äußere Seite bzw. Fläche von jedem ihrer Seitenteile eine Schicht C3 aus Polyäthylenterephtalat aufweist, die ggf. mit einer zusätzlichen Schicht aus Polyamid beschichtet ist.
Die äußere Schicht ist dazu bestimmt, als Träger für eine Dekorationsschicht zu dienen.
Die Vorrichtung zum Verschweißen mittels Ultraschall, so wie sie unter Bezugnahme auf 1 bis 4 beschrieben ist, ermöglicht es, die inneren Flächen der Seitenteile einer jeden Verpackung durch die äußere Seite und die zentrale Schicht hindurch miteinander zu verschweißen.
Das Polypropylen weist nämlich eine Schmelztemperatur auf, die unterhalb der Schmelztemperatur der Schicht auf der äußeren Seite liegt, und unter der Wirkung der Schwingungen der Sonotrode wird eine Anregung der Partikel erreicht, die die innere Schicht bilden, die daraufhin schmilzt, um die Wülste B zu bilden.
Man erzielt auf diese Weise nicht nur die Erzeugung eines Wulstes, der aus dem Aufschmelzen der inneren Schichten hervorgeht, die sich in Kontakt miteinander befinden, sondern auch, daß die Schichten aus Aluminium der beiden Seitenteile in Kontakt miteinander gebracht werden, wodurch es möglich ist, die sehr guten Dichtigkeitseigenschaften zu erhalten, auf die bereits oben hingewiesen worden ist, wobei auf 7 verwiesen sei.
Es muß darauf verwiesen werden, daß gemäß der vorliegenden Erfindung die Möglichkeit besteht, das Niveau der Energie, die zwischen den Folien 1 und 2 übertragen wird, einzustellen, damit lediglich die inneren Schichten C1 aus Polypropylen schmelzen und auf jeder Seite des Ambosses 102 (der in 7 und 8 auf eine schematische Weise dargestellt ist, um das Prinzip der vorliegenden Erfindung zu erläutern, wobei die Sonotrode in diesen Abbildungen nicht dargestellt ist) einen Wulst B bilden, der sich aus dem Fließen der Schichten C1 der beiden Folien 1 und 2 ergibt.
In diesem Fall kommen die Schichten C2 aus Aluminium der beiden Folien 1 und 2 in Kontakt miteinander, so daß eine Barriere erzeugt wird, die gegenüber Gas dicht ist.
Weiterhin werden die äußeren Schichten C3 durch die Verschweißung nicht verändert bzw. in Mitleidenschaft gezogen, da die Schmelztemperatur von Polyäthylen höher ist als die von Polypropylen.
Dadurch, daß der Druck vergrößert wird, der durch die Sonotrode auf die aus mehreren Schichten bestehenden Folien 1 und 2 ausgeübt wird, kann man, wie in 8 dargestellt ist, gleichzeitig mit der Verschweißung der Folien einen Schnitt im Bereich der Kontaktzone Z ausführen.
In diesem Fall gewährleisten die Wülste B, die zwischen den Schichten C1 aus Polypropylen einer jeden Folie gebildet werden, den Zusammenhalt der Ränder, die auf diese Weise geschnitten und verschweißt werden, und auch die Dichtigkeit dieser Verschweißung, wobei die Schichten C2 aus Aluminium fest mit den Wülsten B verbunden sind und in Kontakt miteinander gehalten werden.
Wie bereits weiter oben ausgeführt worden ist, weist die Schweißnaht einer jeden Verpackung eine Dicke auf, die in der Größenordnung von 135 μm liegt, und eine Breite in der Größenordnung von 1 mm.
Weiterhin kann man in vorteilhafter Weise dank der Oszillationen der Sonotrode gegenüber den miteinander zu verschweißenden Folien gegebenenfalls Partikel aus Nahrungsmittelmaterial verschwinden lassen, die möglicherweise an der Stelle verblieben sind, wo die Verschweißung ausgeführt werden soll, und kann auf diese Weise eine dichte Verschweißung der genannten Verpackung erreichen.
Eine derartige Vorrichtung ermöglicht es ebenfalls, eine jede Verpackung zu verschließen, die mit einer hohen Geschwindigkeit an der Schweißstation vorbeiläuft, ohne die äußere und zentrale Schicht der Verpackungen zu beschädigen.
Gemäß einem vorteilhaften Merkmal des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, um den Vorgang der Verschweißung der Seitenteile einer jeden Verpackung zu beschleunigen, vor der Verschweißung mittels Ultraschall einer jeden Verpackung jedes Seitenteil einer jeden Verpackung zu erwärmen, um die innen liegenden Flächen der Seitenteile einer jeden Verpackung zu erweichen. Dies ermöglicht es, eine dichte Verschweißung der Folien mit einer äußeren Flexibilität zu erhalten, soweit die relativen Positionen des Ambosses und der Sonotrode betroffen sind.
Die Erwärmung kann beispielsweise durch Wärmeleitung oder durch Eindüsung von Dampf realisiert werden.
Weiterhin kann man den Spalt zwischen dem Amboß und der Sonotrode und auch den Druck, der zwischen der Sonotrode und dem Amboß auf die Seitenteile einer jeden Verpackung, die zu verschweißen ist, ausgeübt wird (durch Vermittlung einer Ansteuerung eines Stößels, der der Sonotrode zugeordnet ist) auf eine solche Weise einstellen, daß dann, wenn die Schweißnaht in einer jeden Verpackung realisiert wird, man gleichzeitig eine Schnittlinie realisiert. Dieser Aspekt wird noch weiter unten in der vorliegenden Beschreibung im einzelnen ausgeführt.
Gemäß weiteren Merkmalen der Vorrichtung zum Schweißen mittels Ultraschall ist die Sonotrode 101, die mehr im einzelnen in 3 und 4 dargestellt ist, auf einem Träger 105 in Verbindung mit einem Stößel 107 angebracht, der auf die Sonotrode auf eine solche Weise einwirkt, daß diese auf die miteinander zu verschweißenden Folien 101 einen vorbestimmten Druck ausübt, der zwischen 0,2 × 10⁵ und 6 × 10⁵ Pa liegt.
Gemäß dem beschriebenen Verfahren können auch zwei Vorrichtungen zum Schweißen ins Auge gefaßt werden, so wie sie in 1 bis 4 dargestellt sind, und die entlang des Wegs des Vorbeilaufs der Verpackungen angeordnet sind, in einem bestimmten Abstand und auf unterschiedlichen Höhen oder in der gleichen Höhe, so daß eine einzige Schweißnaht oder zwei benachbart angeordnete Schweißnähte der Seitenteile einer jeden Verpackung realisiert wird bzw. werden, d.h. eine Schweißnaht unterhalb der anderen.
Weiterhin kann man in vorteilhafter Weise mit Hilfe der Vorrichtung zum Verschweißen mittels Ultraschall die Qualität der Verschweißung oder das Vorhandensein von unerwünschten Partikeln in der Zone der Verschweißung einer jeden Verpackung feststellen, dank der Erfassung des Strom- bzw. Leistungsverbrauchs der Vorrichtung zum Verschweißen, welche als Erfassungssignal verwendet wird.
Ein derartiges erfaßtes Signal kann verarbeitet werden, um die fehlerhaften Verpackungen zu identifizieren und auszustoßen, d.h. solche Verpackungen, die nicht auf dichte Weise verschweißt worden sind.
Gemäß diesem Verfahren ist es möglich, ungefähr 500 Beutel pro Minute zu verschließen, was eine beträchtliche Einsparung bei den Herstellungskosten derartiger Beutel bedeutet.
Weiterhin ermöglicht es das Verfahren zum Verschließen von Beuteln, bei dem die Vorrichtung eingesetzt wird, eine dichte Verschweißung der Seitenteile der Beutel während deren Vorbeilauf zu realisieren. Dies wird durch die Tabelle 1 bestätigt, die die Ergebnisse eines Biotests darstellt, der in Bezug auf Beutel durchgeführt wurde, die gemäß dem Verfahren entsprechend der vorliegenden Erfindung mit Hilfe von mehreren Betriebsarten der Vorrichtung verschweißt worden sind.
Tabelle 1
Die Anwendung auf das Verschließen von Beuteln, die vorstehend beschrieben worden ist, ist allerdings selbstverständlich nicht begrenzend, da die Erfindung in allgemeiner Weise das Verschweißen von weichen Folien betrifft, auch für andere Anwendungen als für das Verschließen von Beuteln.
Im übrigen kann die vorstehend beschriebene Vorrichtung in vorteilhafter Weise nicht nur für das Verschweißen von Folien für Beutel eingesetzt werden, sondern auch dazu, um gleichzeitig einen Schnitt der Folien herbeizuführen.
In dem Fall eines Schnitts, der mit der Schweißung kombiniert wird, wird die Höhe des Drucks, der auf die Folien ausgeübt wird, im Bereich von 6 × 10⁵ Pa festgelegt, und die Bezugshöhe des Spalts 103 kann reduziert werden, in bevorzugter Weise auf einen Wert von weniger als 50 μm, beispielsweise 20 μm.
In diesem Fall wird die halbe Amplitude der Schwingungen der Sonotrode auf einen Wert eingestellt, der sehr geringfügig (in der Größenordnung von 1/10 μm) kleiner ist als die Bezugshöhe des Spalts, so daß die Sonotrode den Amboß im Verlaufe ihres Bewegungswegs berührt.
Diese Anwendung ist vorteilhaft, da sie es ermöglicht, auf jeder Seite der Schnittlinie, die sich gegenüberliegend zu der Kante des Ambosses befindet, eine primäre Schweißnaht zu bilden, die der Breite des Wulstes entspricht, wobei diese Breite, wie bereits ausgeführt worden ist, wesentlich kleiner als 1 mm ist.
Auf diese Weise beträgt im Falle einer Verschweißung mit Schnitt die Breite der Schweißnähte wesentlich weniger als 1 mm.
Weiterhin sind die Ergebnisse der Tests, die von der Anmelderin in Bezug auf Beutel durchgeführt worden sind, deren Ränder gemäß der vorliegenden Erfindung geschweißt und geschnitten worden sind, so daß die Seitenteile des Beutels nur durch die primäre Schweißnaht eines Wulstes versiegelt sind, ähnlich wie die gewesen, die in Bezug auf Beutel durchgeführt worden sind, die ohne Schnitt verschweißt worden sind.
Weiter oben und insbesondere unter Bezugnahme auf 3 und 4 ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben worden, bei der der obere Bereich der kontinuierlich vorbeilaufenden Beutel mittels Schweißung verschlossen wird, wobei die seitlichen Ränder der Beutel vorher miteinander verschweißt worden sind.
Es ist ebenfalls möglich, die Erfindung auf Folien anzuwenden, die fortlaufend in ein und derselben Richtung F vorbeilaufen, mit der gleichen Geschwindigkeit, um eine Verschweißung und gegebenenfalls einen Schnitt auszuführen, entlang jeder gewünschten Richtung in Bezug auf die Richtung F des Vorbeilaufens der Folien, beispielsweise in einer Richtung, die senkrecht zu dieser Richtung F ist.
Um dieses auszuführen, setzt man auf einen beweglichen Wagen eine Baugruppe, die aus einer Sonotrode und einem Amboß gebildet ist und die vorstehend beschriebene Konfiguration aufgreift, mit konvergierenden Flächen, um den Spalt 103 und die Kante des Ambosses zu bilden, wobei das Ganze sich auf eine solche Weise verlagern kann, daß die Folien zwischen der Sonotrode, die oszilliert, und dem Amboß vorbeilaufen.
In diesem Fall ist die Baugruppe, die die Sonotrode und den Amboß umfaßt, auf eine solche Weise orientiert, daß die Einlaß- und Auslaßabschnitte, die den Spalt 103 begrenzen, mit der Richtung der Bewegung der miteinander zu verschweißenden Folien in Bezug auf die genannte Baugruppe ausgerichtet sind. Auf diese Weise verjüngen sich die Wände des Spalts 103, wenn man eine Linie beschreibt, die parallel zu dieser Richtung ist.
Die Bewegung des Wagens ist in diesem Fall gesteuert, um abwechselnd auszuführen:

– Sequenzen der Verschweißung und gegebenenfalls des Schnitts, während der der Wagen eine Startposition verläßt, während er zu einer Bewegung angetrieben ist, bei der ein Vorschub parallel zu der Richtung F mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Folien, die er während der gesamten Sequenz beibehält, und ein Vorschub in der gewünschten Richtung der Verschweißung kombiniert ist. Diese zweite Komponente der Bewegung kann entlang einer geraden Linie oder anders erfolgen,
– Sequenzen der Neupositionierung, während der der Wagen in seine Ausgangsposition zurückkehrt und bereit ist, eine neue Sequenz der Verschweißung zu beginnen.

Der Wagen kann auf diese Weise eine Hin- und Herbewegung entlang einer Linie ausführen, die einen Winkel mit der Richtung F bildet, der zwischen 0 und 90° liegt, wobei die Geschwindigkeit des Wagens während der Sequenzen der Zurückbewegung entsprechend eingestellt ist, um sich auf den Ausgangspunkt rechtzeitig neu zu positionieren, um die Folien mit einem gewünschten Abstand in Bezug auf die vorhergehend durchlaufene Schweißnaht in Angriff zu nehmen.
Es ist ebenfalls möglich, zwei oder mehrere Wagen vorzusehen, während einige davon eine Sequenz der Verschweißung ausführen, während andere zu gewünschten Ausgangspositionen zurückfahren.
In dem Fall, daß der Druck der Sonotrode eingestellt wird, um einen gleichzeitig mit der Verschweißung erfolgenden Schnitt auszuführen, erhält man auf diese Weise Folien, die von dem Abschneiden der Folien entlang von Schnittlinien kommen, die der Kontaktzone zwischen der Vorrichtung und den Folien entsprechen, wobei diese Folien untereinander an ihren seitlichen Rändern aufgrund des Fließens des Materials der Folien auf beiden Seiten der genannten Schnittlinie verschweißt sind.
Es ist ebenfalls möglich, nur eine Sonotrode auf jedem Wagen anzuordnen, und unter den vorbeilaufenden Folien zumindest einen feststehenden Amboß anzuordnen, der ein spitz ausgebildetes Profil aufweist und dessen Kante in der Richtung des Wegs orientiert ist, der von dem Wagen während seiner Sequenz des Verschweißens bzw. Schneidens durchlaufen wird, so daß die von dem Wagen getragene Sonotrode mit der Kante des Ambosses zusammenwirkt.
Die vorliegende Erfindung ist in keiner Weise auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Varianten der Realisierung sind möglich, ohne daß der Bereich verlassen wird, der durch die beigefügten Ansprüche festgelegt ist.
Insbesondere ist es nicht zwingend erforderlich, daß die Folien, die zu verschweißen und gegebenenfalls zu schneiden sind, kontinuierlich vorbeilaufen; jegliche Ausführungsform, bei der eine relative Bewegung zwischen den Folien, bei denen immer eine synchronisierte Bewegung der einen in Bezug auf die andere vorhanden sein muß, und der Vorrichtung zum Schweißen, d.h. der Baugruppe, die den Amboß und die Sonotrode umfaßt, liegt im Bereich der vorliegenden Erfindung.
Weiterhin ist die Erfindung nicht auf die Anwendung auf Beutel beschränkt, die Nahrungsmittel für Tiere enthalten; sie umfaßt selbstverständlich auch Beutel oder Tüten, die ausgehend von Folien aus Kunststoffmaterial realisiert werden und für andere Anwendungen bestimmt sind, insbesondere für die Verpackung von Nahrungsmitteln wie etwa Süßigkeiten oder löslichem Kaffe.

Claims

Verfahren zum Herstellen von weichen Verpackungen, umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellen von zwei übereinander angeordneten Folien (1, 2); – Bereitstellen einer Schweißeinrichtung, die aus zwei Elementen gebildet ist, bei denen es sich um einen Amboß (102) und um eine Sonotrode (101) handelt: • wobei der Amboß und die Sonotrode zueinander weisend angeordnet werden, so daß ihre einander gegenüberliegenden Oberflächen (101', 102') einen Spalt (103) für den Durchgang der miteinander zu verschweißenden Folien bilden, wobei der Spalt einen Einlaßabschnitt (104) und einen Auslaßabschnitt (105) aufweist, wobei der Querschnitt des genannten Spalts für den Durchgang zwischen seinem Einlaßabschnitt und dem Auslaßabschnitt abnimmt, und • wobei auf der Sonotrode eine vorstehende Schweißkante bereitgestellt wird, die in den genannten Spalt für den Durchgang vorsteht, – in Schwingungen versetzen der Sonotrode mit hohen Frequenzen, um Ultraschallwellen auszusenden, – Erzeugen einer relativen Bewegung zwischen den übereinander angeordneten Folien auf der einen Seite und der Schweißeinrichtung auf der anderen Seite, in einer Richtung (F) des Vorbeilaufs, die in Bezug auf die Schweißeinrichtung festgelegt ist, mit einem Durchgang der genannten übereinander angeordneten Folien durch den genannten Spalt, um die genannten Folien so miteinander zu verschweißen, daß sie die Seitenteile der Verpackung bilden, wobei die genannte vorstehende Kante sich in einer Richtung erstreckt, die im wesentlichen parallel zu der genannten Richtung des Vorbeilaufs (F) ist.
Verfahren nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß es die Bereitstellung der genannten vorspringenden Kante auf dem Amboß (102) umfaßt.
Verfahren zum Verschließen einer weichen Verpackung, mit den folgenden Schritten: – Bereitstellen einer weichen Verpackung, die zwei Folien aufweist, welche zwei Seitenteile bilden, wobei die genannten Seitenteile durch ihre seitlichen Ränder miteinander verbunden sind und die Verpackung an einem Ende offen ist; – Bereitstellen einer Schweißeinrichtung, die aus zwei Elementen gebildet ist, bei denen es sich um einen Amboß (102) und um eine Sonotrode (101) handelt: • wobei der Amboß und die Sonotrode zueinander weisend angeordnet werden, so daß ihre einander gegenüberliegenden Oberflächen (101', 102') einen Spalt (103) für den Durchgang der miteinander zu verschweißenden Folien bilden, wobei der Spalt einen Einlaßabschnitt (104) und einen Auslaßabschnitt (105) aufweist, wobei der Querschnitt des genannten Spalts für den Durchgang zwischen seinem Einlaßabschnitt und dem Auslaßabschnitt abnimmt, und • wobei auf der Sonotrode eine vorstehende Schweißkante bereitgestellt wird, die in den genannten Spalt für den Durchgang vorsteht, – in Schwingungen versetzen der Sonotrode mit hohen Frequenzen, um Ultraschallwellen auszusenden, – Erzeugen einer relativen Bewegung zwischen der genannten Verpackung auf der einen Seite und der Schweißeinrichtung auf der anderen Seite, in einer Richtung (F) des Vorbeilaufs, die in Bezug auf die Schweißeinrichtung festgelegt ist, mit einem Durchgang der genannten Folien der Verpackung durch den genannten Spalt, um die genannten Folien so miteinander zu verschweißen, daß die Verpackung geschlossen wird, wobei die genannte vorstehende Kante sich in einer Richtung erstreckt, die im wesentlichen parallel zu der genannten Richtung des Vorbeilaufs (F) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß es den Schritt umfaßt: – Bereitstellen der genannten vorstehenden Kante mit einem spitzen Profil, welches durch geneigte Ebenen (102a, 102b) gebildet ist, die einen spitzen Winkel zwischen sich einschließen.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß es den Schritt umfaßt: – Bereitstellen der genannten vorstehenden Kante mit einem spitzen Profil, welches durch geneigte Ebenen (102a, 102b) gebildet ist, die einen Winkel bilden, der zwischen 120° und 160° liegt und bevorzugt etwa 140° beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt enthalten ist: – Anordnung der Schweißeinrichtung auf eine solche Weise, daß der Einlaßabschnitt des genannten Spalts für den Durchgang um einen Faktor, der etwa zwischen 1,2 und 2 liegt, größer ist als der Ausgangsabschnitt des genannten Spalts.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Erzeugung einer relativen Bewegung einen Vorbeilauf der genannten Folien umfaßt, während die Schweißeinrichtung ortsfest gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch den Schritt: Anbringen der Schweißeinrichtung auf einem beweglichen Schlitten; – und wobei der Schritt der Erzeugung einer relativen Bewegung den Vorbeilauf des genannten Schlittens in Bezug auf die genannten Folien entlang einer gewünschten Schweißrichtung umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch den Schritt: – Zuordnung eines Druckstempels oder eines Gegengewichts zu der Sonotrode, damit diese auf die genannten Folien einen vorbestimmten Druck ausübt, der zwischen 0,2 × 10⁵ und 6 × 10⁵ Pa liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Erzeugung einer relativen Bewegung den Vorbeilauf der genannten Folien in Bezug auf die Schweißeinrichtung mit einer Geschwindigkeit umfaßt, die zwischen 50 und 150 m/mn und bevorzugt zwischen 60 und 80 m/mn liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch den Schritt: – Ein Fließen oder eine plastische Verformung des Materials der genannten Folien auf jeder Seite der genannten Kante bei dem Durchgang der Folien in dem genannten Spalt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der plastischen Verformung die Erzeugung, auf jeder Seite der genannten Kante, eines Wulstes (B) der plastischen Verformung umfaßt, der eine primäre Schweißnaht bildet.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Folien gleichzeitig mit ihrer Verschweißung geschnitten werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Folien in Bezug auf die Schweißeinrichtung während des Schneidens kontinuierlich vorgeschoben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch den Schritt: – Erwärmung der genannten Folien vor der Verschweißung, um die inneren Flächen einer jeden Folie zu erweichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Folien eine zentrale Schicht aus einem Material aufweisen, das gasdicht ist, zwischen zwei Schichten aus einem Kunststoffmaterial.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Schicht aus Aluminium besteht.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen inneren Schichten der beiden Folien, die einander gegenüberliegend angeordnet sind, verschmolzen werden, bei der Verschweißung mit den zentralen Schichten der beiden jeweiligen Folien, die in Kontakt miteinander kommen.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Schicht einer jeden Folie aus Polypropylen besteht.
Weiche Verpackung mit zwei Seitenteilen, die an ihren seitlichen Rändern miteinander verbunden sind, wobei die Verpackung durch ein Verfahren nach Anspruch 1 oder einen der Unteransprüche, die auf Anspruch 1 rückbezogen sind, erhalten werden kann.
Weiche Verpackung, die durch ein Verfahren nach Anspruch 18 oder 19 erhalten werden kann, umfassend: – zwei Seitenteile, die durch zwei Folien gebildet sind, welche eine zentrale Schicht aus einem gasdichten Material zwischen zwei Schichten aus einem Kunststoffmaterial aufweisen; und – eine Schweißnaht, die die genannten Folien, die einander gegenüberliegend angeordnet sind, verbindet, wobei die jeweiligen zentralen Schichten der beiden Folien auf der Schweißnaht in Kontakt miteinander stehen.
Weiche Verpackung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Schicht aus Aluminium besteht.
Weiche Verpackung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Schicht einer jeden Folie aus Polypropylen besteht.
Weiche Verpackung nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der genannten Schweißnaht in der Größenordnung eines Millimeters liegt.
Weiche Verpackung nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die zentralen Schichten, die in Kontakt miteinander stehen, eine Sperre bilden, die gasdicht ist.
Weiche Verpackung nach Anspruch 25, die eine Rate der Undichtigkeit von Luft in der Größenordnung von 2,4 × 10^–4 cm³/Tag liegt.