DE60302146T2

DE60302146T2 - Methode zur herstellung eines trockenmittelbehälters

Info

Publication number: DE60302146T2
Application number: DE60302146T
Authority: DE
Inventors: Desmond Charles Bury St. Edmunds DRUMMOND; Andrew Robertson Newmarket Drummond
Original assignee: Individual
Current assignee: Multisorb Technologies Inc
Priority date: 2002-04-26
Filing date: 2003-04-22
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2023-04-23
Also published as: EP1499420A1; US20050173044A1; WO2003090902A1; AU2003224300A1; US7037393B2; ATE308370T1; EP1499420B1; DE60302146D1

Description

Die Erfindung betrifft exsikkante Stopfen oder Verschlüsse für einen großen Bereich von Behältern und betrifft insbesondere Kunststoffverschlüsse, welche eine atmende Kunststoffmembran enthalten, um irgendwelche freie Feuchtigkeit (oder Gerüche und dergleichen) in dem Behälter zu absorbieren.
Exsikkante Verschlüsse werden verwendet, um die Feuchtigkeit oder Geruchsdampfgehalte der Luft in einem abgedichteten Behälter, beispielsweise einer Flasche, Krug, Beutel oder Karton, zu steuern, und um die geschlossene Atmosphäre zum Vorteil sensitiver Produkte, beispielsweise Pharmazeutika, die darin verpackt sind, zu steuern. Sie werden in einer Anzahl von Größen und Typen entsprechend der Größe und Natur des Behälters und des zu schützenden Inhalts hergestellt. Sie müssen nicht-toxisch, gegen Wasser widerstandsfähig, stark, steril und fähig sein, eine Barriere gegen Mikroben zu erzeugen. Sie müssen ferner staubfrei und staubsicher sein.
Die vorliegende Erfindung betrifft die Art von exsikkantem Stopfen oder Verschluss, wie er in der WO 02/038465 beschrieben ist, welcher eine zweckdienlich bemessene Kapsel, eher wie ein kleiner Topf oder Krug, als Behälter des Trocknungsmittels umfasst, und nachdem diese mit dem gewählten Trocknungsmittel gefüllt ist, wird sie entweder mit einem Materialstopfen vom porösen Typ (wie beispielsweise eine dünne Scheibe Pappe) geschlossen, welches in seinen Ort eingedrückt wird oder mit einem gegossenen Plastikdeckel verschlossen, der beim Gießen hergestellte Perforationen aufweist.
Abhängigkeit von ihrer endgültigen Verwendung können exsikkante Verschlüsse mit einer großen Anzahl verschiedenem Trocknungsmaterial gefüllt werden. Im Falle, dass sie die Feuchtigkeit steuern sollen, sind zweckdienliche absorbierende Materialien Silikagel oder Molekularsieb, während zur Steuerung von Gerüchen granulierter Kohlenstoff verwendet wird. Einige Einrichtungen können verwendet werden, um das Niveau eines speziellen Gases innerhalb eines abgedichteten Behälters zu steuern, wo das Gas einen nachteiligen Effekt auf den Inhalt haben kann. Ein derartiges Gas ist Sauerstoff; die Sauerstoffbildung kann in vielen Fällen zu einer erheblichen Verschlechterung des Inhalts führen. In einigen Fällen wird eine Mischung unterschiedlicher Materialien verwendet und die Arten von Material werden formuliert und verwendet und es gibt eine Anzahl von Markenmischungen auf dem Markt erhältlich.
Unabhängig von ihrem Inhalt werden diese Verschlüsse allgemein als "exsikkante Verschlüsse" bezeichnet; ihre Verwendung ist bei der Verpackung pharmazeutischer, veterinärmedizinischer, Lebensmittel und elektronischer Güter erheblich.
Die WO 02/038465 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Verschlusses, bei welchem eine faserige Gewebebahn an ihrem Ort zwischen zwei relevanten Teilen – das Gehäuse des Verschlusses und dem Deckel – gehalten wird, und diese beiden werden dann miteinander und der Bahn verschmolzen, so dass beim Abkühlen und Erstarren diese einen festen einstückigen Kunststoffstützrahmen um die darin eingeschmolzene Bahn bilden. Der Ausdruck "verschmolzen", der hier verwendet wird, bedeutet, dass die Materialien des Gehäuses und des Deckels und die Materialien der Bahn einen einstückigen Körper bilden, obwohl der gesamte Verschluss in Einzelteilen gegossen wurde. Somit sind die Materialien von Gehäuse und Deckel nicht lediglich an beiden Seiten der faserigen Bahn angebracht und erstrecken sich nicht nur lediglich einstückig durch die Bahn, sondern sind tatsächlich einstückig mit der Bahn, d.h. zu einer Einheit, verbunden.
Die faserige Gewebebahn ist ein spinngebundenes atmungsfähiges Kunstharz (Polyäthylen niedriger Dichte oder LDPE), ein Material, welches als TYVEK HBD 1059 bekannt ist und von Dupont hergestellt wird.
Spinngebundene Materialien, die aus LDPE oder dergleichen hergestellt sind – die im Folgenden der Einfachheit halber lediglich als "spinngebundene Kunststoffe" bezeichnet werden – sind ungeheuer stark und reißen nicht. Sie verbinden sich mit anderen Kunststoffteilen ähnlicher Kunststoffspezifikation, vorausgesetzt, dass die Temperaturprofile genau eingehalten werden (da sie extrem dünn sind, typischerweise lediglich 0,15 mm dick, werden sie leicht durch Anwendung von zuviel Wärme in ihrer Leistung verschlechtert oder sogar zerstört).
Spinngebundene Kunststoffe, insbesondere die TYVEK-Typen von Material, sind ausgesprochen zweckdienlich, um als durchlässige Membrane für exsikkante Verschlüsse zu dienen, und zwar aufgrund der hervorragenden Übertragung von Feuchtigkeit oder Geruchsdämpfen durch sie. Die Mikroporosität des Materials steuert die Staubabgabe und die hohe Reißfestigkeit und Durchschlagfestigkeit sind perfekt, um die Integrität des letztlich fertig gestellten Artikels zu gewährleisten. Ein anderes Beispiel derartiger spinngebundener Kunststoffe ist das Material, welches unter der Bezeichnung TEIJIN erhältlich ist und durch Unisel (nun mit Dupont vereint) hergestellt wird.
Es kann gesagt werden, dass des Verfahren durch die Art und Weise, in welcher die Membran und die Gehäuse-/Deckelteile angeordnet werden, charakterisiert wird, um das erforderliche Ultraschallschweißen durchzuführen. Ein Kunststoff hoher Dichtigkeit von Gehäuse/Deckel kann höchst zuverlässig mit einem Kunststoff niedriger Dichte der Membran verschmolzen werden, vorausgesetzt, dass das Gehäuse/Deckel physischen Kontakt miteinander herstellen, um die Vibrationen zu übertragen und sie zum Schmelzen zu bringen, wobei die Membran in einer Ausnehmung zwischen diesen beiden gehalten ist, so dass sie auch schmilzt und einstückig mit dem Gehäuse/Deckel verschmolzen wird, jedoch lediglich an ihrer äußersten Kante.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung eines Trocknungsmittelbehälters durch Einschließen einer spinngebundenen Membran niedriger Dichte zwischen zwei separaten Teilen geschaffen, welche entweder den Behälterdeckel oder das Behältergehäuse bilden, wobei diese beiden getrennten Teile aus einem Kunststoff hoher Dichte hergestellt sind und bei dem danach die Membran und die getrennten Teile miteinander verschmolzen werden, wobei einer der getrennten Teile auf seiner berührenden Oberfläche einen energierichtenden Vorsprung aufweist, welcher derart angeordnet ist, dass, wenn die drei Komponenten zusammengefügt werden, so dass die beiden getrennten Gehäuse- und Deckelteile mit der Membran dazwischen zusammengepresst werden, sich der energierichtende Vorsprung von einer berührenden Oberfläche zu der anderen erstreckt, um diese in geringem Abstand zu halten.
So sind bei diesem Verfahren des Ultraschallschweißens beim Verbinden von zwei oder mehr Kunststoffteilen hoher Dichte (Endkappe(n) und Gehäuse) und einer Membran aus einem spinngebundenen Kunststoffmaterial geringer Dichte, die Kunststoffteile hoher Dichte profiliert, so dass mindestens eines dieser Teile eine energierichtende Leiste(n) oder Punkt(e) in den Bauteil konstruiert aufweist.
Ein Energierichtprofil ist ein Abschnitt des gegossenen Teils, welcher an dem beabsichtigten Punkt einer Zwischenfläche angeordnet ist, wenn die Zwischenfläche mit einem anderen getrennten, dazwischenliegenden Bauteil zusammenkommt. Es ist ein feiner Vorsprung, entweder eine Leiste(n) oder Punkt(e), welche höher vorstehen als der darunter liegende Materialbereich, von welchem sie vorstehen.
Somit kann der energieleitende Vorsprung eine kontinuierliche Leiste um den Umfang eines der Teile bilden oder kann aus einer Reihe diskreter Vorsprünge bestehen, die um den Umfang des Teils angeordnet sind. Vorzugsweise beträgt die Entfernung, um die der Vorsprung von der Berührungsfläche vorsteht, zwischen 0,5 und 0,7 mm.
Wenn die zusammenzuschweißenden Teile zusammen angeordnet werden und einander berühren, trennt die Höhe der energieleitenden Leiste(n) oder Punkt(e) die beiden flachen Oberflächenbereiche an der Zwischenfläche, welche dann lediglich über den oder die höchsten Punkte aneinander liegen.
Der Effekt des energierichtenden Vorsprungs besteht genau darin, wie dies dieser Ausdruck andeutet, nämlich eine Reibung hoher Intensität an eine genaue Position zu richten, welche als scharfe Kante(n) oder scharfer Punkt(e) konstruiert ist. Bevorzugt soll der Punkt oder Kante so scharf als möglich konstruiert sein, wobei die Querschnittsfläche der Spitze des Vorsprungs minimiert ist.
Da die scharfe Kante(n) oder scharfer Punkt(e) den ersten Berührungspunkt der Zwischenfläche zu dem anderen Bauteil dar stellt, mit welchem die Verbindung hergestellt werden soll, und während sie einem Haltedruck ausgesetzt werden, wird die zum Zusammenhalten der Komponenten aufgebrachte Kraft an dem Punkt(e) konzentriert, so dass folglich die gesamte, im Moment der Ultraschallvibration losgelassene Energie ebenfalls zu dem Punkt(e) gerichtet wird.
Die aufgebrachte Vibrationswirkung erzeugt eine intensive Reibungshitze an diesen ersten Punkten der Zwischenfläche. Dies breitet sich tief in die zweite Zwischenflächenbereiche aus, die nun durch Zusammenbrechen und Verteilen des Energierichtungsprofils(e) zusammengebracht werden. Die Berührungsflächen werden geschmolzen und verschmelzen miteinander. Das Resultat ist eine starke Verschweißung.
Der Stopfen ist topfähnlich – d.h. er hat die Form eines kleinen Behälters (etwa 0,6 Zoll [15 mm] im Querschnitt und 0,8 Zoll [20 mm] tief) zur Aufnahme bei der Benutzung des Trocknungsmittels (oder anderen) Materials, welches in dem Verschluss enthalten ist. Der Verschluss kann irgendeinen zweckdienlichen Querschnitt aufweisen, wobei jedoch ein rohrförmiger Querschnitt allgemein zweckdienlich ist, da er in die meisten Behälter von Pillen und dergleichen passt.
Im Falle dieser Anwendung ist der Energierichter eine scharfe, messerähnliche Kante an dem (den) Ende (n) des rohrförmigen Gehäuseteils.
Durch Formen einer Abschrägung auf der Außenkante der Rohrwandung wird eine messerähnliche Kante um den Gesamtumfang des (der) Endes(n) des Kapselgehäuses geformt, um einen zweckdienlichen Energierichter zu erzeugen. In diesem Falle ist es bevorzugt, dass der Winkel der Abschrägung in der Größenordnung von 60° liegt.
Bevorzugt ist der energierichtende Vorsprung derart angeordnet, dass er gegen eine Umfangsfläche der Membran anliegt.
Der Verschluss endet als einstückiger (integraler) Gegenstand, wird jedoch zum Zwecke der Herstellung aus mindestens drei Stücken hergestellt, nämlich einem Körperabschnitt, einem Deckel- (oder Kappen-) abschnitt, welcher in den Körperabschnitt passt und einem Membranabschnitt, welcher dazwischen angeordnet wird und mit den Körper- und Eckelabschnitten verschmilzt. Der Deckel- (oder Kappen-) abschnitt ist zweckdienlich ein einfaches einstückiges Objekt, welches in den Gehäuseabschnitt passt, der Membranabschnitt liegt dazwischen und ist mit den Gehäuse- und Deckelabschnitten verschmolzen.
Selbstverständlich ist, obwohl der Gehäuseabschnitt mit seinem anderen deckelfreien Ende bereits geschlossen geformt werden kann, es ebenfalls möglich, den Gehäuseabschnitt als offenendigen zentralen Ringabschnitt auszubilden, wobei eine Kappe/Deckel an beiden Enden liegt.
Die flache Bodenfläche des Gehäuseabschnitts und die flache Oberfläche des (oder jedes) Deckel-/Kappenabschnitts bilden die beiden Endflächen des Verschlusses; eine oder beide dieser sind aus dem faserförmigen Gewebe aus Kunststoffmaterial hergestellt, welche dichtend um seinen Umfang an die Haupt-/Seitenteile – die Wandungsabschnitte – des Gehäuses oder Deckels zweckdienlich angeschmolzen ist.
Für den Verschluss ist ein typisches bevorzugtes Material ein Polyäthylen hoher Dichte (HDPE) und Beispiele dieses Materials sind das als LADENE bekannte Material (ein HDPE hergestellt durch SABIC Marketing Ltd., Saudi Arabien, und ver trieben im Vereinigten Königreich durch ALBI Ltd. in Knutsford, Cheshire), und das durch BP Chemicals verkaufte Material als "BP High Density Polyethylene" (und vertrieben im Vereinigten Königreich durch Distropol Ltd. in Chertsey, Surrey). Beide dieser Qualitäten von HDPE sind FDA-genehmigt und sind gleichzeitig zweckdienlich für das Nahfeld- und Fernfeld-Ultraschallschweißen.
Alternativ können hochschmelzende Polypropylene verwendet werden.
Für die Membrane ist das bevorzugte Material, wie oben erwähnt, das Material, welches als Perfecseal HBD 1059B TYVEK bekannt ist, welches von Dupont hergestellt wird. Dies ist ein Polyäthylen niedriger Dichte. Dupont erzeugt eine Reihe von Materialien unter der Marke TYVEK, die jeweils eine spezielle endgültige Benutzung aufweisen. Viele Produkte aus diesem Bereich sind für die Zwecke, die hier beschrieben werden, geeignet. Ein anderes zweckdienliches Material ist dasjenige, welches unter der Bezeichnung TEIJIN verfügbar ist und von Unisel hergestellt wird. Der Hauptzweck dieser Arten von Materialien besteht in der Verwendung atmender Gewebemembranen, die verwendet werden, um Beutel oder Säcke herzustellen oder um Kunststoff- oder Folienbehälter von tablettähnlicher Art abzudecken, an welchen sie befestigt werden, indem übliche Heißversiegelungstechniken angewendet werden. Zur Erzielung bester Resultate ist eine große Berührungsfläche zwischen den beiden Materialien, die verbunden werden sollen, erforderlich.
Zum Zeitpunkt des Zusammenbaus der Komponenten und wenn diese korrekt positioniert zueinander sind, sind die Positionen wie folgt:

a) Die Tyvek-Membrane wird in der Endkappe angeordnet, wo sie in Klemmpassung gehalten ist.
b) Das Kapselgehäuse wird dann in dem offenen Ende der Endkappe(n) angeordnet und an seinen Ort gedrückt.
c) Die zusammengefügten Bauteile liegen dann sandwichartig geschichtet vor, wobei die Kunststoffmembrane aus spinngebundenem Kunststoff niedriger Dichte fest zwischen den beiden Kunststoffbauteilen hoher Dichte eingeschlossen ist (dies sind die Endkappe(n) und das Gehäuse der Kapsel).

Das Energierichtprofil steht in direktem Kontakt mit dem spinngebundenen Material der Membrane und wird in seiner Lage unter Druck gehalten.
Zum Zeitpunkt, wenn der Ultraschallschweißprozess angewandt wird, werden durch ein Betätigungsorgan die Teile zusammengedrückt, welches einen Haltedruck ausübt, ehe die Ultraschallvibrationsschweißperiode beginnt.
Die scharfe, messerähnliche Kante des rohrförmigen Gehäuses hoher Dichte der Kapsel wird gegen die spinngebundene Membrane niedriger Dichte gedrückt, die in der (den) Endkappe(n) hoher Dichte angeordnet und gehalten ist. Die spinngebundene Membran niedriger Dichte, typischerweise lediglich 0,15 mm dick, wird im Bereich des Punktes der Berührung mit dem Energierichtprofil hoher Dichte zusammengedrückt, wodurch die poröse Natur des Membranmaterials geschlossen wird und seine Dichte an diesem Punkt erheblich vergrößert wird. Wenn die Ultraschallvibrationen angewandt werden, sind die vorlaufenden Kanten des Energierichters die ersten Punkte an der Berührungsfläche, die erregt werden, und folglich die ersten Bereiche, die an der Zwischenfläche schmelzen und miteinander verschmelzen.
Die durch Reibung erzeugte Schmelze schreitet durch das extrem dünne (weniger durch die Temperatur beeinflusste) spinngebundene Material fort zu dem Kunststoff hoher Dichte (höhere Schmelztemperatur) des Bauteils auf der anderen Seite der Membran, breitet sich aus und verschmilzt und wird zu einer integrierten Masse, welche nach dem Abkühlen eine festes Schweißnaht bildet, wodurch die Endkappe(n) die Membran und das Kapselgehäuse in einen einstückigen einzelnen Teil verschmolzen werden.
Dieses Verfahren beruht auf der Technik des Schallschweißens, d.h. des Ultraschallschweißens, thermoplastischer Teile zum Verschmelzen von Gehäuse und Deckelteil miteinander unter Einbettung der Membran darin. Diese Technik wird im Folgenden genauer beschrieben.
Das Prinzip des Ultraschallzusammenbaus schließt die Verwendung hochfrequenter mechanischer Vibrationen ein, die durch die thermoplastischen Teile übertragen werden, um einen durch Reibung hervorgerufenen Wärmestau an der Berührungsfläche zu erzeugen. Die Wirkung der Vibrationen erzeugt eine intensive Reibung zwischen getrennten, jedoch einander berührenden Teilen, so dass sich die Materialien erhitzen und schmelzen und zusammenschweißen/verschmelzen.
Die Vibrationsbewegung wird durch einen vibrierenden Bauteil erzeugt, welcher als "Sonotrode" bezeichnet wird, welche im rechten Winkel zur Oberfläche des zu verschweißenden Teiles angewendet wird. Letzterer beginnt aufgrund einer Reihe stationärer Wellen vollständig zu vibrieren, wobei die Maximalamplitude im Berührungsbereich der miteinander zu verbinden den Teile liegt. Ultraschallkunststoffschweißtechniken wurden seit mehr als 25 Jahren in der Kunststoffindustrie erfolgreich verwendet.
Nach dem Abkühlen, was schnell erfolgt, resultiert eine feste homogene Verschweißung der Teile der Anordnung. Die Membran ist folglich einstückig mit dem festen Plastik der Gehäuse- und Deckelteile und ist somit von diesen untrennbar. Sie bietet folglich eine undurchlässige Barriere für den Durchgang von in Mikroteilchen vorliegenden Stoffen, verhindert das Austreten der chemischen Bestandteile der Kapsel und macht somit die Verschlusseinheit sowohl staubfrei als auch staubsicher. Die Membran ist als Fenster zu dem Verschluss vorgesehen und ermöglicht einen unbehinderten Zugang von Feuchtigkeit oder Geruchsdämpfen in beiden Richtungen durch das mikroporöse Material.
Ein bedeutsamer Faktor bezüglich der Verwendung des Schallschweißens zu diesem Zweck ist die Kompaktheit des Gehäuse/Deckelmaterials und des Membranenmaterials. Die bevorzugte Wahl für das spinngebundene Kunststoffmaterial der Membrane ist TYVEK, welches ein Polyäthylen niedriger Dichte (LDPE)-Produkt ist. Es könnte dann daran gedacht werden, dass ein Material niedriger Dichte und insbesondere ein Polyäthylen niedriger Dichte ebenfalls für das Gehäuse/Deckelmaterial verwendbar wäre. Es zeigt sich jedoch, dass die Materialien niedriger Dichte, so wie sie sind, tatsächlich schwierig durch Schall zu schweißen sind. Der Grund hierfür scheint darin zu liegen, dass sie zu "weich" sind und die in einem Teil erzeugten Vibrationen die Tendenz zeigen, zu leicht gedämpft zu werden und nicht auf den anderen Teil übertragen werden, so dass sich die beiden Teile nicht gegeneinander in einer Weise ausreichend bewegen, um Reibung und Wärme zu er zeugen – und ohne diese Wärme schmelzen sie selbstverständlich nicht und schweißen/verschmelzen nicht miteinander.
Ein weiterer bedeutender Faktor ist die Temperatur. Spinngebundene Kunststoffe, wie TYVEK, sind extrem dünn und sind empfindlich gegen die Wirkung hoher Temperaturen, welche es zum Schrumpeln bringen. Das Aussetzen an Temperaturen über 125°C macht TYVEK unbrauchbar, da die Matrix, welche die Durchlässigkeit gewährleistet, schmilzt, zusammenfällt und in eine undurchlässige Struktur verklebt. Der Schmelzpunkt, bei welchem HDPE in den geschmolzenen Zustand übergeht, liegt bei etwa 150°C; diese Temperatur ist höher als der Punkt der Zerstörungstemperatur von TYVEK, so dass angenommen werden kann, dass ein Verschmelzen einer Membran niedriger Dichte mit einem Gehäuse/Deckel eines Verschlusses hoher Dichte unmöglich wäre. Während das einfache Verschmelzen einer Bahn von LDPE-Material, wie beispielsweise TYVEK, an einem Körper aus HDPE-Material tatsächlich mit Problemen verbunden ist, scheinen diese jedoch in dem Falle vermieden zu werden, indem eine Bahn niedriger Dichte an ihrem Umfang zwischen zwei Oberflächen hoher Dichte eingeschlossen ist; überraschend erzeugt das Anordnen der Membran niedriger Dichte zwischen zwei hochdichten Teilen in Form eines Sandwiches tatsächlich eine zuverlässige Verschmelzung der Komponenten. Folglich verringert die Verwendung des energierichtenden Vorsprungs dieses Problem der hohen Temperatur auf dem Formwerkzeug, da die Schmelztemperatur der hochdichten Teile örtlich in dem Verschmelzungspunkt zurückerhalten wird und den größeren Teil der Membran niedriger Dichte vollständig unbeeinflusst lässt.
Der Erfolg dieser Technik hängt vollständig von der Fähigkeit der Materialien ab, Vibrationen weiterzuleiten, ohne sie zu dämpfen; exzellente Resultate können mit zweckdienlichen thermoplastischen starren Materialien mit hohem Elastizitäts modul erzielt werden. Das Verfahren erlaubt das Schweißen von Objekten sehr komplexer Konstruktion mit einer Sonotrode, welche eine sehr einfache Form aufweist.
Wie oben erwähnt, wird die Steifigkeit des zu schweißenden Polymers seine Fähigkeit beeinflussen, die Ultraschallenergie zur Zwischenfläche der Verbindung zu übertragen. Allgemein kann gesagt werden, dass, je steifer das Material ist, desto besser ist seine Übertragungsfähigkeit. Es ist normalerweise nicht möglich, Materialien unterschiedlicher Arten durch Ultraschall wegen der Unterschiede der Verschmelzungstemperaturen zu verschweißen. Falls die makromolekulare Struktur bei beiden Materialien nicht gleich ist, wird dies die gegenseitige Durchdringung verhindern.
Während der Zeitspanne, während der das Ultraschallvibrationsschweißverfahren angewandt wird, muss der Grad des Druckes zum Zusammenhalten der Komponenten ausgeübt werden. Jeder Bauteil hoher Dichte muss in Kontakt mit dem anderen stehen, damit die Ultraschallvibrationen durch die Komponente, die der Sonotrode am nächsten liegt, übertragen werden können. Ferner sollte jede Komponente so konstruiert sein, dass sie eine ausreichende Oberfläche bietet, die in dichter Berührung mit einer gleichen Oberfläche an dem Teil, mit der sie verschweißt werden soll, steht. Die Verschmelzung tritt an der Zwischenfläche zwischen den beiden Oberflächen auf. Jede Komponente ist durch einen aufgebrachten Druck an dem Punkt (den Punkten) zusammengehalten, an denen sie verschweißt werden.
Während die Ultraschallvibration aufgebracht wird und mit dem gleichzeitigen Aufbringen von Druck, der die Kombination zusammenhält, verläuft die Ultraschallvibration durch einen der hochdichten Teile und in den zweiten und erzeugt Reibungseffekte an ihrer Zwischenfläche. Die Reibung erzeugt eine Wär me, die ausreicht, den Kunststoff zu schmelzen – sowohl von Gehäuse/Deckel (die beiden miteinander in Berührung stehenden hochdichten Komponenten) als auch die Membran (die Komponente niedriger Dichte), was die Kunststoffe zum Fließen bringt und durch den auf die beiden Teile aufgebrachten Druck, der sie zusammendrückt, werden alle drei in eine undurchtrennbare Bindung verschmolzen. Somit ist die Membran sicher mit dem Behälter verschmolzen und ist an sämtlichen Außenkanten und an jeder Zwischenfläche in das Gehäuse und/oder die haltende Endkappe(n) der Kapsel eingebettet. Die Kanten der Membran und ein Teil der Oberfläche des Membranmaterials nahe den Kanten ist durch das fließende Kunstharz durchdrungen, übergossen und durchgeformt durch das geschmolzene Kunstharz, während dieses unter Druck flüssig ist. Der geschmolzene Kunststoff der Gehäuseendkappe(n) verschmilzt mit den gesponnenen Fasern des faserigen spinngebundenen Kunststoffmaterials mit der Membran und erstarrt beim Abkühlen und bildet einen starren Kunststoffrahmen um und durch die Membran. Das spinngebundene Kunststoffmaterial selbst ist gleichzeitig teilweise in dem Betrieb verschweißt, da ein Anteil der Schallvibration zwischen der Membran niedriger Dichte und dem Kapselgehäuse hoher Dichte wirksam ist; dies verstärkt weiterhin die Verschmelzungsbindung zwischen dem Gehäuse und Deckel als Komponenten hoher Dichte.
Die folgenden Punkte sollten berücksichtigt werden, wenn Schallschweißen verwendet wird.

1. Die Kappe/Deckel soll mit dem Gehäuse verschweißt werden und während dieses ein Stumpfschweißen sein kann, ist es bevorzugt, jede der anliegenden Flächen in zusammenpassender Weise abzuschrägen, um eine größere Schweißoberfläche zu formen. Insbesondere wird die Kante der Seitenwandung der Kap pe(n) in eine Form gebracht, die als korrektes Zwischenflächenprofil zum Ultraschallschweißen empfohlen wird.
2. Die Kante der Seitenwandung des Gehäuses wird entsprechend in eine Form gebracht, die als korrektes Zwischenflächenprofil zum Ultraschallschweißen empfohlen wird, wobei sie jedoch ferner einen Abschnitt enthält, welcher, wenn zwei Plastikkomponenten (Gehäuse und Kappe) mit dem Material vom TYVEK-Typ ebenfalls am Einbauort zusammengebracht werden, als Schnapppassung wirksam ist, um zeitweilig die Komponenten aneinander zu befestigen, wobei die Unterseite der Kappe in dichter Nähe mit der obersten Seite der Oberkante der eingesetzten profilierten Wandung des Kunststoffgehäuses liegt.
3. Wenn ein Membranenfenster an beiden Enden des Verschlusses erforderlich ist, wird das beschriebene Verfahren am gegenüberliegenden Ende des Behälters, der entsprechend geformt ist, wiederholt.
4. Normalerweise ist es ausgesprochen zweckdienlich, zu einem Zeitpunkt den Verschluss an einem Ende in aufrecht stehender Position zusammenzufügen, wobei die Endkappe oben beim Zeitpunkt des Zusammenbaus und des Ultraschallschweißens angeordnet wird.
5. Nach korrekter Positionierung bei dazwischen gehaltener Membrane werden die Gehäuse/Deckel-Formlänge durch Ultraschall zusammengeschweißt, um eine einstückig verbundene Kapsel zu bilden. Die oder jede poröse Membran ist in den zuvor getrennten Komponenten eingekapselt, und an ihrem Ort durch die Schweißung zwischen dem Gehäuse und der entsprechenden Kappe oder Ende gehalten.

Auf diese Weise wird die Gewebebahn – das spinngebundene Kunststoffmaterial vom TYVEK-Typ – an seinem Umfang mit dem Material verschweißt, welches die Gehäuse/Deckelkombination des Verschlusses bildet. Die Membran wird somit als Fenster in den Gehäuse- oder Deckelabschnitt des Behälters des Verschlusses präsentiert und ermöglicht so bei der Benutzung einen unbehinderten Eintritt durch Feuchtigkeit oder Geruchsdämpfe. Ferner verstärkt, wie sie durch den Kunststoffrahmen ist, in welchem sie vollständig aufgehängt ist, wirkt die Membran als strukturelle Form, die den Inhalt des Verschlusses gegen Verlust oder Bestätigung hält.
Wie sich aus dem Obenstehenden schließen lässt, besteht eine Wahl einer Membran aus spinngebundenem Kunststoffmaterial an eine oder mehreren Positionen an dem exsikkanten Verschluss. Typischerweise kann die Position einer einzelnen Membran am Ende des Verschlusses sein, während ein Verschluss mit zwei Membranen diese an beiden Enden angeordnet aufweisen kann (der Zweck von zwei Membranen bestände darin, einen schnelleren Zugang für Dämpfe zu ermöglichen).
Und wie ebenfalls oben erwähnt, ist im Falle eines Verschlusses mit lediglich einer Membran ersichtlich, dass hier die Notwendigkeit für zwei Teile besteht. Einer ist der Gehäuseabschnitt – das Gefäß, in welchem das Trocknungsmittel angeordnet wird, während der andere der Deckelabschnitt ist. Jeder beiden kann die Membran in der Endwandung tragen, wobei es jedoch üblicherweise zweckdienlicher ist, den Deckel zu diesem Zweck zu nutzen.
Wenn zwei Membrane innerhalb eines einzigen exsikkanten Verschlusses erforderlich sind, kann die Einheit in verschiedener Weise konstruiert werden. Ein bevorzugter Weg besteht darin, die Einheit in drei oder mehr Teilen herzustellen, welche aus zwei getrennten kappen-/deckelähnlichen Endteilen und einem (oder mehreren) zentralen Gehäuseteil bestehen, welche an beiden Enden offen ist. Die Endteile – beide identisch hergestellt – tragen die Membran als eine dichte Passung und jeder wird getrennt an dem zentralen Gehäuseteil angeschweißt, um den vollständigen Behälter zu bilden (in welchem der Füllungsinhalt eingefüllt wird, ehe das zweite "Deckel"-Ende zur Vervollständigung der Struktur angebracht wird).
Ein weiterer Vorteil des beschriebenen Verfahrens des Zusammenbaus besteht in der Möglichkeit, die Komponenten fertig zur Benutzung vorher vorzubereiten. Die spinngebundenen Kunststoffscheiben der Membran können vorher geschnitten werden und in die Kappenenden eingesetzt werden, wo sie in einer Klemmpassung festgehalten werden, ehe sie mit dem Behältergehäuse zusammengebracht werden. Gleichermaßen kann das Gehäuse der Kapsel vorher mit einem Kappenende zusammengefügt werden, wobei die Membran aus spinngebundenem Kunststoff bereits eingesetzt ist und durch Schallschweißen zusammengefügt ist und zwar als Vorform, die für die Füllmaschine erzeugt wird.
Wenn verschiedene Teile des Verschlusses – das Gehäuse und eine oder mehrere Endkappen/Deckel – getrennt hergestellt werden (und dann miteinander verbunden werden), ist es selbstverständlich möglich, ihnen verschiedene Farben zu geben. Dies kann, wenn gewünscht, zum Zwecke der Identifikation verwendet werden – um anzuzeigen, vielleicht entweder was innerhalb des Verschlusses ist (welches Trocknungsmittel verwendet ist) oder womit der Verschluss verwendet werden soll (welche Materialien oder Gegenstände können benutzt werden, um beispielsweise trocken gehalten zu werden).
Der Bereich der Membrane, welcher als Fenster durchlässigen Materials zum Behälter frei bleibt, ist nicht in irgendeiner Weise nachteilig beeinflusst und seine Wirksamkeit ist nicht behindert. Die Konstruktion erlaubt den Eingang oder Ausgang gasförmiger Dämpfe durch die Membran zu oder von den eingekapselten chemischen Materialien, die in der Kapsel enthalten sind, verhindert jedoch Leckverluste des Inhalts aufgrund der großen Integrität und Zuverlässigkeit der Abdichtung, welche durch das Verschmelzen sämtlicher Komponenten zu einem einstückigen Teil erzielt wird.
Ultraschallschweißen
Das Verfahren
Das Verfahren des Ultraschallschweißens, wie es hier verwendet wird, nutzt die Fähigkeit thermoplastischer Harze aus, eine Schweißverbindung an der Zwischenfläche zwischen zwei Teilen zu formen, wenn durch Erzeugung von Hitze an der Zwischenfläche durch Anlegung gerichteter mechanischer Vibrationsenergie der Kunststoff schmilzt und flüssig wird. Nachdem das Kunstharz an der Fuge geschmolzen ist, fließt es an dem (den) Berührungspunkt(en) und falls eine Kraft während der Zeit der Wärmeerzeugung aufgebracht wird, werden die Teile zusammengepresst und miteinander verschmolzen, um eine untrennbare homogene Verbindung zu formen. Diese Technik ist schnell, wirksam, nicht umweltbelastend und erfordert keine verzehrbaren Schweißstoffe.
Ultraschallmontagesysteme sind in verschiedenen Frequenzniveaus erhältlich und können hinsichtlich Zeit, Energie, Energieausgleich, Entfernung und aufgebrachte Kraft gesteuert werden. Zweckdienliche Frequenzen für ein System, mittels dessen die Art der im Rahmen dieser Erfindung erforderlichen Montage durchführen kann, liegen bei 20 kHz und einer Energie zwischen 1100 und 3300 Watt.
Die Anlage
Branson Applied Technologies Group in Hayes, Middlesex, stellt eine große Anzahl Ultraschallvibrationsschweißmaschinen her. Ultrasonic Engineering Ltd. in Singapore Road, London, stellt einen speziellen Bereich von Ultraschallvibrationsschweißmaschinen her.
Ein typisches Ultraschallvibrationsschweißsystem besteht aus vier wesentlichen Bestandteilen.

1) Die Energieversorgung – konvertiert elektronisch die 50 Hz-Stromversorgung in die erforderliche 20 kHz-Betriebsfrequenz.
2) Der Konverter – ebenfalls durch die Energieversorgung betrieben – besteht aus einer Anzahl von polarisierten piezoelektrischen Scheiben, die eine natürliche Resonanz bei 20 kHz aufweisen. Wenn sie der Ultraschallfrequenzausgabe von der Energieversorgung ausgesetzt werden, nehmen die Scheiben in ihrer physikalischen Größe zu und ab und zwar in der gleichen Zeitfrequenz, wie die Energieversorgung, d.h. mit einer Geschwindigkeit, die 20 kHz entspricht. Auf diese Weise werden durch das elektrische Signal, welches in mechanische Energie umgesetzt wird, Vibrationen erzeugt, und diese werden direkt zu dem Horn/(Sonotrode) geleitet, welches dann in Berührung mit dem Werkstück über eine bestimmte Zeitspanne und eingestellten Druck gebracht wird, um eine intensive Reibung und ein anschließendes Schweißen in einer sehr effizienten und kontrollierten Weise zu erzeugen.
3) Akustische Werkzeuge – verwendet, um die Energie von dem Konverter zu den zu verschweißenden Teilen zu kuppeln und zu verstärken. Die Werkzeuge werden entweder aus Titan oder Aluminiumlegierungen hergestellt und abgestimmt, um bei der gleichen Frequenz, wie der Konverter, Resonanz zu haben. Die Amplitude oder Vibrationsbewegung von dem Konverter allein reicht in vielen Fällen nicht aus, um eine Schweißung zu erzeugen, so dass akustische Werkzeuge oder Hörner/(Sonotroden), wie sie genannt werden, eingebaut werden, um die Amplitude auf einen korrekten Wert einzustellen. Um die korrekte Resonanzfrequenz zu erhalten und eine Vergrößerung der Amplitude auf das korrekte Niveau zu erzeugen und gleichmäßige Bewegung auf die Arbeitsfläche des Horns/(Sonotrode) zu übertragen, ist große Sorgfalt notwendig, um die korrekte Konstruktion und Form und Masse der Werkzeuge und das Material, aus welchem diese hergestellt werden, zu bestimmen. Akustische Werkzeuge werden aus zwei Teilen hergestellt: Ein Verstärkerhorn, welches die Amplitude von dem Konverter zu dem korrekten Wert für den speziellen Anwendungsfall modifiziert; und das Arbeitshorn/(Sonotrode), welches für die spezielle Arbeit konstruiert ist. Das Arbeitshorn/(Sonotrode) ist derart geformt, dass es der Geometrie der zu verschweißenden Teile entspricht. Die ideale Situation ist es, eine flache Fläche für das Arbeitshorn/(Sonotrode) vorzusehen, um die Energie in die Teile zu leiten. Durchführung des Verfahrens Vibrationsenergie unter Druck wird in das Werkstück durch das akustische Werkzeug oder Horn geleitet, welches in Berührung mit einem der zu verschweißenden Teile gebracht wird. Vibrationsenergie wird durch die Werkstücke hindurchgeleitet, welches zu örtlicher Reibungserhitzung an den Berührungszwischenflächen führt, die den Kunststoff zum Schmelzen bringt. Bei Beendigung der Energiezufuhr erstarrt der Kunststoff und bildet eine molekulare Bindung hoher Festigkeit. Die Schweißung wird in einer Zeit typischerweise weniger einer Sekunde erreicht und die erzeugte Hitze ist örtlich auf den Bereich der Fuge begrenzt.
4) Der Aktuator – ein einfaches, pneumatisch gesteuertes Gerät, welches das akustische Werkzeug in Berührung mit dem Werkstück bringt. Er muss eine starre Konstruktion aufweisen und die Fähigkeit, konsistent das Schweißhorn/(Sonotrode) genau an das Werkstück zu bringen und einen eingestellten Druck während der Dauer der Schweißzeit aufrecht zu erhalten. Üblicherweise ist er auf einem druckluftangetriebenen Zylinder montiert, welcher eine gesteuerte Aufwärts/Abwärtsbewegung oder durch andere einachsige Richtungen aufweist. Wirkungsgrad Zwei Faktoren, welche die Fähigkeit eines thermoplastischen Harzes zum Schweißen festlegen, sind, wie gut diese Energie von dem Schweißhorn zu der Fugeninterfläche übertragen und wie gut der Reibungskoeffizient und die Schmelztemperatur ist. Zum Zwecke des Ultraschallschweißens werden Kunstharze in zwei Hauptgruppen unterteilt, nämlich amorph oder kristallin. Diese Gruppierung bezieht sich auf die Molekularstruktur des Kunststoffes. Im festen Zustand haben amorphe Kunststoffe keine geordnete Struktur. Dies vergrößert die Fähigkeit der Materialien, Energie zu übertragen. Amorphe Materialien haben keinen genauen Schmelzpunkt. Bei Wärme werden sie weich, ehe sie viskos flüssig werden. Dieses progressive Schmelzen in den geschmolzenen Zustand unterstützt den Schweißprozess, indem es am Punkt der Zwischenfläche Verschmelzen des flüssigen Kunststoffes zulässt. Das Verfahren ist leicht steuerbar. Weit- und Nahfeld-Schweißen Offensichtlich ist die Entfernung zu der Fugenlinie von dem Materialbereich des Horns eine kritische Überlegung. Um die Definition der Fähigkeit eines Harzes Ultraschall zu übertragen, zu unterstützen, wurden die Ausdrücke "Nahfeld" und "Weitfeld" angenommen, um die Entfernung der Energieübertragung zu definieren. Diese Ausdrücke sind allgemein für den 20 kHz-Betrieb anwendbar. Nahfeld-Schweißen wird als Entfernung zwischen Horn/(Sonotrode) und Fugeninterfläche definiert, wenn dies weniger als 6 mm ist. Erhebliche Energieübertragung in starre amorphe Materialien kann über diese Entfernung erhalten werden. Weitfeld-Schweißen ist definiert, wenn die Entfernung zwischen Horn/(Sonotrode) und Fugeninterfläche größer als 6 mm ist. Andere Faktoren Zwei weitere Faktoren der Überlegung sind die Steifigkeit der Komponenten und der Energieweg zu der Fuge oder Zwischenfläche. Der Aktuator wird einen Druck zwischen 20 und 80 Newton auf die zu verschweißenden Teile zum Zeitpunkt des Schweißprozesses aufbringen. Die Anordnung muss derart konstruiert sein, dass sie derartigen Drücken während des Betriebs widersteht. Das Aufbringen eines eingestellten Maßes von Druck ist hinsichtlich der mechanischen Wirkung des Horns/(Sonotrode) zu dem Zeitpunkt von Bedeutung, wenn dies in Berührung mit den Kunststoffkomponenten steht und es muss progressiv sein, da sich das Kunststoffmaterial im geschmolzenen Zustand teilweise zusammendrückt, wenn es unter dem Druck von dem Aktuator steht. Ein gutes Design der Komponenten ist für ein erfolgreiches Schweißen bedeutsam. Damit das Verfahren funktioniert, muss Energie durch die Komponenten von einer zu anderen übertragen werden, um eine gute Schweißung zu unterstützen, deren Festigkeit durch die Tiefe der Durchdringung bestimmt wird. Eine Schweißtiefe von 0,5–1 mm wird als ausreichend stark für den beschriebenen Anwendungsfall angesehen. Um eine gute Wiederholbarkeit der Schweißung zu gewährleisten, sollten die Einstellungen der Anlage beobachtet und aufgezeichnet werden. Ultraschallanlagen können in automatisierte Systeme eingefügt werden. Jede Information hinsichtlich der Schweißparameter, wie Zeit, Amplitude, Frequenz, Energie oder Entfernungen, falls digital von der Schweißanlage erhältlich, können herausgezogen, aufgezeichnet und in einer Datenbank gespeichert werden.

Ein exsikkanter Verschluss nach der Erfindung wird im Folgenden lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die skizzenhaften Zeichnungen beschrieben (die Zeichnungen basieren auf zylindrischen und kreisförmigen Designs, wobei andere Formen ebenfalls geformt werden können). In den Zeichnungen zeigt:
1A & B in der Draufsicht und Schnittansicht einen exsikkanten Verschluss;
2A & B eine Schnittansicht und eine Teilansicht in auseinandergezogener Darstellung des Verschlusses;
3 eine vergrößerte teilweise Schnittansicht des exsikkanten Verschlusses, bei der zum Zwecke der Klarheit die Membrane weggelassen ist, und
4 eine vergrößerte geschnittene Teilansicht des exsikkanten Verschlusses, welche die Membrane im Einbauort zeigt.
Die 1A & B sind nahezu für sich selbst verständlich. Sie zeigen einen exsikkanten Verschluss (allgemein 11) nach der Erfindung. Der Verschluss ist rohrförmig und von kreisförmigem Querschnitt, hat somit die Form eines kleinen Topfes.
Die hier gezeigte Version des Verschlusses hat einen rohrförmigen Hauptgehäuseabschnitt 12 und zwei ringförmige Deckelab schnitte 13, einer an jedem Ende. Jeder Deckel 13 passt auf das Gehäuse unter Verwendung übereinstimmender Ausnehmungen (14a in dem Deckel, 14b in dem Gehäuse, wie gezeigt). Die oben liegende Fläche (wie dargestellt) des Deckels 13 ist ein "Fenster" 15, welches aus einem porösen faserförmigen Gewebebahnmaterial für die Membran hergestellt ist; dies ist in 1B mit skizzenhaften Perforationen gezeigt, um anzudeuten, dass es sich um eine poröse Bahn handelt, wobei diese tatsächlich keine sichtbaren Perforationen aufweist. Um ihre gesamte Kante 16 ist die Bahn zwischen Deckel und Gehäuse eingeschlossen und einstückig mit diesen verschmolzen.
Bei der Ausführungsform gemäß 1 ist die Membran 15 zwischen dem Gehäuse 12 und dem Deckel 13 angeordnet. Dieser Bereich ist lediglich allgemein in den 1 und 2 gezeigt, wobei die spezielle Form in Einzelheiten in den 3 und 4 dargestellt ist.
2 veranschaulicht allgemein die Schritte der Herstellung und zeigt die Schnappverbindung 17, 18 zwischen dem Gehäuse 12 und dem passenden Deckel 13.
Sowohl der Topfdeckel 13 als auch das Topfgehäuse 12 sind aus einem Kunststoff hoher Dichte. Eine Membran 15 aus spinngebundenem Material niedriger Dichte ist zwischen dem Deckel 13 und dem Gehäuse 12 eingeschlossen. Nach Einschließen der Membran 15 in diese Position werden die Membran 15 und die getrennten Teile 12, 13 miteinander verschmolzen.
Einer der getrennten Teile 12, 13 (in diesem Fall das Topfgehäuse 12) hat auf seiner berührenden Oberfläche 20 einen energierichtenden Vorsprung 21, welcher derart angeordnet ist, dass, wenn die drei Komponenten zusammengefügt werden, so dass die beiden getrennten Gehäuse- und Deckelteile: mit der Membran dazwischen zusammengepresst werden, der energierichtende Vorsprung 21 sich von einer Berührungsoberfläche 20 zur anderen 22 erstreckt, um diese geringfügig im Abstand zu halten.
Der Vorsprung 21 besteht aus einer kreisförmigen Leiste mit einer scharfen Kante, welche durch eine 60°-Abschrägung 24 an der Außenkante der Wandung des Topfgehäuses 12 um deren Umfang geformt ist. Die Topfleiste 21 erstreckt sich zwischen 0,5 und 0,7 mm von der Berührungsoberfläche 20 weg.
Zum Zeitpunkt des Zusammenbaus der Komponenten und wenn diese korrekt positioniert zueinander sind, sind die Positionen wie folgt

a) Die Tyvek-Membran 15 ist in der Endkappe 13 angeordnet, wo sie durch Klemmpassung gehalten ist.
b) Das Kapselgehäuse 12 ist dann in das offene Ende der Endkappe(n) 13 eingefügt und eingepresst.
c) Die zusammengefügten Komponenten sind dann als Sandwich vorliegend, wobei die Membran 15 aus spinngebundenem Kunststoff niedriger Dichte fest zwischen den beiden hochdichten Kunststoffkomponenten (welches die Endkappe(n) und das Gehäuse der Kapsel sind) eingeschlossen. Das Energierichtprofil 21 steht in direktem Kontakt mit dem spinngebundenen Membranmaterial 15 und ist unter Druck am Ort gehalten.

Zum Zeitpunkt, an dem das Ultraschweißverfahren durchgeführt wird, werden die Teile durch den Aktuator zusammengedrückt, welcher einen Haltedruck ausübt, ehe die Zeitspanne des Ultraschallvibrationsschweißens beginnt.
Die scharfe, messerähnliche Kante 21 des hochdichten rohrförmigen Gehäuses 12 der Kapsel wird gegen die spinngebundene Membran 15 niedriger Dichte gedrückt, die in der (dem) hochdichten Endkappe(n) 13 angeordnet und gehalten ist. Die spinngebundene Membran 15 niedriger Dichte, typischerweise lediglich 0,15 mm dick, drückt sich in dem Bereich des Berührungspunktes mit dem hochdichten Energierichtprofil 21 zusammen, schließt die poröse Natur des Membranenmaterials und vergrößert erheblich dessen Dichte an diesem Punkt. Wenn die Ultraschallvibrationen angelegt werden, sind die Vorderkanten des Energierichters die ersten Punkte der Zwischenfläche, die erregt werden und sind folglich die ersten Bereiche der Zwischenfläche, die schmelzen und zusammenverschmelzen.
Die durch Reibung induzierte Schmelze schreitet durch das extrem dünne (weniger Temperatur beeinflusste) spinngebundene Material zu dem hochdichten Kunststoff (höhere Schmelztemperatur) des Bauteils auf der anderen Seite der Membran fort, breitet sich aus und verschmilzt und wird zu einer integrierten Masse, welche nach dem Abkühlen eine starke Verschweißung bildet, welche die Endkappe(n), Membrane und Kapselgehäuse in einen festen Einzelteil verschmilzt.
Das Zusammenfügungsverfahren des exsikkanten Topfes ist in sechs Stufen unterteilt. Zum Zwecke der Erläuterung wird jede Stufe als Einzelaktion beschrieben, wobei jedoch in der Produktion die Aktion konstant wiederholt wird. Es wird unterstellt, dass die Beendigung jeder Einzelaktion in sämtlichen Stufen zu einer Wiederholung des Verfahrens auf Grundlage eines elektronischen Befehls führt. Alle Stufen sind gleichzeitig aktiv und synchronisiert, um sich zur gleichen Zeit zu wiederholen.
Stufe 1) Kunststoffspritzgießen der Kunststoffeinzelteile.
Das Gehäuse der Kapsel und die Endkappe(n) werden unter Verwendung moderner Spritzgießtechniken aus Polyäthylen hoher Dichte mit einem Schmelzindex von 30 produziert.
Mehrfachformen werden verwendet, um Gussstücke hoher Qualität von jeder der erforderlichen Einzelteile zu erzeugen, und zwar aus Formen, welche Heißgießkanalsysteme enthalten. Dieses Verfahren hat die Wirkung, gut aussehende Gussstücke in zufriedenstellenden Dimensionstoleranzen mit sehr wenig Ausschuss aufgrund der Abwesenheit von Angüssen zu erzeugen.
Die Verwendung eines hochschmelzenden Materials unterstützt die Gießzykluszeit, insbesondere bei der Herstellung von dünnwandiger oder Gegenstände mit feinen Details. Die Gussstücke können in jeder gewünschten Farbe hergestellt werden.
Es ist bekannt, dass hochdichte Polyäthylenmaterialien, die einen hohen Schmelzindexwert aufweisen, gleichzeitig nach dem Gießen steifer sind als Materialien mit niedrigerem Schmelzindex aus dem gleichen Material. Der Effekt des Steifefaktors bei dem fertig gestellten Einzelteil unterstützt das anschließende Ultraschallschweißverfahren. Hochdichte Kunststoffmaterialien sprechen gut auf Ultraschall-Schweißverfahren an, wobei jedoch die Schweißleistung verbessert wird, wenn die Steifigkeit des Kunststoffmaterials zu einem verbesserten Strömungsweg der Schallvibrationen an der Zwischenfläche des oder der Bauteile beiträgt, welche der erforderliche Punkt der Verschmelzung/Schweißens ist.
Sowohl das als LADENE bekannte Material als auch das von BP Chemicals als "BP High Density Polyethylene" vertriebene Material sind zufriedenstellend.
Stufe 2) Vorbereitung der spinngebundenen atmungsfähigen LDPE Membran.
Die spinngebundene atmungsfähige LDPE-Membran wurde aus TYVEK HBD 1059 hergestellt.
Tyvek ist extrem fest und ist erheblich schwierig, wiederholt zu schneiden, ohne dass ständig das Stanzwerkzeug erneut geschärft werden muss. Ein besseres und total konsistentes Verfahren besteht darin, Laserschneidverfahren zu verwenden, welche nicht auf scharfe Kantenformen zum Schneiden angewiesen sind.
Unter Verwendung eines Lasers – typischerweise eines Kohlendioxidlasers – zum Schneiden von Material ist allgemein gut bekannt und muss hier nicht genauer erläutert werden. Es ist jedoch gut geeignet, als Anwendung zum Markieren und Schneiden von Kunst-Stoffmaterial und ist insbesondere effizient und Wirtschaftlich mit dünnen, filmähnlichen Materialien.
Ein zweckdienlicher Laserschneider ist von Alltec UK Ltd. in Maltby, South Yorkshire, erhältlich, während Laserex/Hi-Tech UK Ltd., Rotherham, South Yorkshire, eine Anzahl von Zusatzanlagen herstellen, die für den Laserbetrieb notwendig sind.
Material vom Tyvek-Typ kann in Rollenform erhalten werden und kann auf jede gewünschte Breite aufge schnitten werden.
Tyvek zeigt eine starke Neigung, statische Störungen bei der Handhabung und vorgeschnittene Scheiben und zusammen gelagerte Scheiben sammeln sich leicht in schwierig zu trennenden Massen. Vorkehrungen werden empfohlen, um die Probleme, die mit diesem Zustand verbunden sind, zu vermeiden. Die Hersteller empfehlen eine Anzahl von Lösungen für das Problem in ihrer Literatur.
Ein bevorzugtes Verfahren zum Kontrollieren der Tyvek-Scheiben beim Schneiden auf Größe von dem Ballenmaterial und zum Vermeiden der Probleme statischer Störungen (die Scheiben kleben aneinander) besteht darin, das Tyvek-Material vor dem Zeitpunkt des Laserschneidens mit einer vakuumbetriebenen Saugglocke zu halten und dann den Laserschnitt um die Saugglocke herum auf die erforderliche Scheibengröße durchzuführen, wobei der Laserschnitt beendet sein muss, während das Tyvek fest durch die Saugglocke am Ort gehalten ist. Der Vorteil dieses Verfahrens der Handhabung besteht erstens darin, dass die Tyvek-Scheibe als Einzelteil unter Kontrolle ist und es nicht zugelassen wird, dass sie mit anderen Scheiben in Berührung kommt, so dass die Statik vermieden wird, welche hervorgerufen wird, wenn Scheiben in mehreren Ausführungen in Berührung miteinander stehen. Zweitens können die festgehaltenen Scheiben sehr genau in die dargebotenen Endkappen der Kapsel bei der folgenden Stufe eingefügt werden.
Folglich wird dieses Arbeitsverfahren dadurch durchgeführt, dass das Tyvek-Materialgewebe von der Hauptspule über einen Saugglockenabschnitt eines Nehme-und-Setze, pneumatisch betätigten geschickten Robotarms geleitet wird, welcher sich auf Befehl nach oben und unter die Tyvek-Bahn bewegt und sich selbst durch Saugen an der Unterseite des Tyvek-Materials vor dem Laserschnitt befestigt.
Die Laserschneidanlage wird dann über dem Tyvek-Streifen angeordnet und schneidet in einer Abwärts-Bewegung um die Vakuumsaugglocke, welche bei Beendigung die abgetrennte Scheibe weiter festhält. Der Robot kann nun die Scheibe aus dem Pfad der Überkopfspule durch Nachuntenziehen bewegen und wegen seiner geschickten Fähigkeit kann er sie dann in die Endkappe an einem benachbarten Punkt einsetzen, ehe er zur Wiederholung des Vorgangs zurückkehrt. Das Verfahren kann dann umgekehrt werden.
Nach dem vorausgehenden Laserschnitt schaltet die Hauptspule von Tyvek auf Befehl vorwärts, um eine neue Fläche ungeschnittenen Streifens den Saugglockenabschnitt des Nehme-und-Setze-Robotarms darzubieten und der verbrauchte gelochte Abschnitt der Tyvek-Spule wird auf eine Sekundärspule als Abfall aufgewickelt. Der Vorgang wird dann wiederholt.
Es ist offensichtlich, dass eine Gruppe von Saugkissen angeordnet werden kann, um eine Anzahl von Scheiben zum Schneiden entweder einzeln durch einen computergesteuerten Laserstrahl aufzunehmen, welcher sich von einem Ort zum nächsten bewegt oder durch eine Anzahl von Laserstrahlen, welche gleichzeitig arbeiten.
Stufe 3A Einsetzen der Membran in den Deckel
Die Endkappen werden an einem naheliegenden Zugangspunkt des Robotarmes in einer offenen, Ende nach oben weisenden Position dargeboten und werden zu dem Punkt über einen Vibrationsbecherförderer und Prüfeinrichtung gefördert, welcher die Komponenten in einen kontinuierlichen Strom richtig nach oben gerichteter Komponenten bereit zur Aufnahme der Tyvek-Scheibe sortiert.
Die Scheibe wird in die Endkappe hineingedrückt und durch eine Klemmpassung zwischen der Außenkante der Scheibe und der Innendimension der Außenwandung der Endkappe gehalten, welche zu diesem Zweck um ihren Umfang erhöht ist.
Die Endkappe zusammen mit der eingesetzten Tyvek-Membran wird nun zur nächsten Stufe gefördert.
Ein zweiter Strom von Endkappen zusammen mit eingesetzten Tyvek-Membranscheiben wird zur Stufe 5 gefördert, um das andere Ende des Kapselgehäuses zu schließen und so das Endprodukt zu formen. Die Kappen in diesem zweiten Strom von Endkappen werden auf ihrem Wege umgekehrt, um eine Darbietung zur Kapsel durch Robotarm in korrekter Ausrichtung zu ermöglichen. Die Tyvek-Membrane wird durch Klemmpassung in ihrem Ort gehalten.
Stufe 3) Erster Zusammenbau der Plastikkomponenten
Die Endkappe ist nun teilweise zusammengebaut mit eingesetzter Tyvek-Membranscheibe und hat die korrekte Ausrichtung mit offenem Ende senkrecht nach oben.
Rohrförmige Gehäuse, identisch an beiden Enden, werden in kontinuierlichem Strom von einem Vibrationsbecherförderer und Prüfeinrichtung gefördert und werden an einem benachbarten Zugangspunkt für den geschickten Robotarm zum Aufnehmen und Setzen dargeboten.
Jedes rohrförmige Gehäuse wird durch den Robotarm aufgenommen und wird genau in die offene Seite der Endkappe eingesetzt, wo sie in ihren Ort eingepresst wird und in dieser Position durch die Schnapppassungkonstruktion gehalten wird, wodurch die Tyvek-Membran darin fest zwischen der (Boden-) Endkappe und dem rohrförmigen Gehäuse eingeschlossen wird.
Die teilweise zusammengebaute Kapsel mit der im Boden befindlichen Tyvek-Membran, die fest in ihrem Ort durch die aufgeschnappte Bodenendkappe gehalten ist, wird nun zur nächsten Stufe gefördert.
Stufe 4) Füllen der Kapsel
In dieser Stufe werden die Kapseln korrekt für den Füllvorgang positioniert, wobei sie in aufrechter Position mit dem offenen Ende nach oben befindlich Sind.
Die leeren Kapseln werden unter einem Füllkopf für volumetrische Portionen hindurchgeführt und die korrekte Menge und Typ von Inhalt wird von dem Füllkopf in die Kapsel eingefüllt.
Die gefüllten, teilweise zusammengefügten Kapseln werden nun zur nächsten Stufe gefördert.
Stufe 5) Zweiter Zusammenbau von Plastikteilen
Die "anderen End"-Kappen komplett mit eingesetzten Tyvek-Membranscheiben werden einem benachbarten Zugangspunkt für den geschickten Robotarm dargeboten, in einer umgekehrten Ausrichtung bereit für die Aufnahmeposition und werden zu diesem Punkt durch einen Förderer von dem Stufe-2-Vorgang gefördert. Das Tyvek ist durch Klemmpassung gehalten.
Die umgekehrte Endkappe wird durch den Robotarm aufgenommen und wird genau auf das Oberende des gefüllten Kapselgehäuses aufgesetzt, wo sie an ihrem Einbauort eingepresst wird und in dieser Position durch die Schnapppassungskonstruktion gehalten wird, wobei die Tyvek-Membran darin fest zwischen der Kappe und dem rohrförmigen Gehäuse eingeschlossen ist.
Die vollständig zusammengefügte Kapsel ist nun bereit, für das Ultraschallschweißen.
Stufe 6) Ultraschallschweißen des exsikkanten Verschlusses
Die vollständig zusammengebaute Kapsel wird einer Position direkt unterhalb des Aktuators dargeboten. Der Aktuator ist für eine Entfernung der Abwärtsbewegung und ebenfalls für den Grad der Kraft eingestellt, die während der Periode der Ultraschallvibration aufgebracht werden soll. Ferner ist der für die Zeitlänge der Berührung mit dem Werkstück eingestellt.
Der Wandler ist für den Grad erforderlicher Amplitude und Zeitlänge der Erregung des Horns/(Sonotrode) eingestellt. Der Schweißvorgang wird mit einem elektronischen Befehl von der Steuerung begonnen, wobei die Dauer des Gesamtvorgangs weniger als zwei Sekunden beträgt.
Es ist offensichtlich, dass mehr als eine Kapsel gleichzeitig geschweißt werden kann. In Abhängigkeit von der Art der verwendeten Ultraschallvibrationsanlage und der physikalischen Größe der Bauteile können mehr als eine Schweißung an dem gleichen Werkstück gleichzeitig durchgeführt werden, indem der Wandler und die akustischen Werkzeuge eingestellt werden, um sowohl Nahefeld- als auch Fernfeld-Energieübertragungen zu gestatten. Der Erfolg hängt vom Design der Bauteile, der Größe und der Zweckdienlichkeit der verwendeten Materialien ab.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines exsikkanten Topfes durch Einschließen einer Membran (15) geringer Dichte aus gesponnenem, verbundenem Kunststoff zwischen einander gegenüber liegenden, sich berührenden Oberflächen (20, 22) von zwei getrennten Teilen (12, 13), die den Topfdeckel (13) und das Topfgehäuse (12) bilden, wobei diese beiden getrennten Teile (12, 13) aus Kunststoff hoher Dichte hergestellt sind und danach durch Verschmelzen der Membran (15) und der getrennten Teile (12, 13) aneinander durch Ultraschallschweißen, wobei einer der beiden Teile mit einem feinen Vorsprung (21) in Form einer oder mehrerer Leisten oder Punkte versehen ist, die sich von seiner Berührungsfläche (20) in Richtung der Berührungsfläche (22) des anderen getrennten Teils (12, 13) erstrecken, um die Berührungsflächen (20, 22) im geringen Abstand zu halten, und wobei die beiden Teile (12, 13) mit der zwischen den Berührungsflächen (20, 22) eingeschlossenen Membran (15) zusammengepresst werden, so dass die Membran (15) am Berührungspunkt mit dem Vorsprung (21) zusammengedrückt wird, wodurch deren Dichte an diesem Punkt derart vergrößert wird, dass zum Zeitpunkt der Ultraschallschweißung der Vorsprung (21) als Energie leitender Vorsprung wirksam wird und die Ultraschallvibrationen von dem Vorsprung (21) auf dem einen Teil (12, 13) durch die Membran (15) an dem Punkt hindurchgehen, wo diese zum Vergrößern deren Dichte an den anderen Teil (12, 13) zusammengedrückt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Energie leitende Vorsprung (21) eine durchgehende Leiste um den Umfang des einen Teiles (12, 13) bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Energie leitende Vorsprung (21) aus einer Reihe getrennter Vorsprünge besteht, welche um den Umfang des einen Teiles (12, 13) angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Energie leitende Vorsprung (21) von der Berührungsfläche (20) um eine Entfernung zwischen 0,05 und 0,7 mm vorsteht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Punkt oder die Kante des Energie leitenden Vorsprungs (21) so scharf wie möglich ist, um die Querschnittsfläche der Spitze des Vorsprungs (21) zu minimieren.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Gehäuse (12) ein rohrförmiger Bauteil ist und bei dem der Energie leitende Vorsprung (21) eine scharfe, messerähnliche Kante am Ende des rohrförmigen Gehäusebauteils ist.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Energie leitende Vorsprung (21) durch Formen einer Abschrägung (24) an der Außenkante der Rohrwandung gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Winkel der Abschrägung (24) in der Größenordnung von 60° liegt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Energie leitende Vorsprung (21) derart angeordnet ist, dass er gegen die Umfangsfläche der Membran (15) drückt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die getrennten Teile (12, 13) des Topfgehäuses (12) und des Topfdeckels (13) aus Polyäthylen hoher Dichte bestehen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Topfgehäuse (12) ein erstes und ein zweites Ende aufweist und beide Enden mit einem Topfdeckel (13) versehen sind und eine Membran (15) zwischen dem Topfdeckel (13) und dem benachbarten Ende des Gehäuses (12) eingeschlossen ist.