DE68911521T2 - Vorrichtung zur versiegelung eines bandes oder filmes in einer verpackungsmaschine. - Google Patents

Vorrichtung zur versiegelung eines bandes oder filmes in einer verpackungsmaschine.

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DE68911521T2
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Woo Lecon
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    • B29C66/81—General aspects of the pressing elements, i.e. the elements applying pressure on the parts to be joined in the area to be joined, e.g. the welding jaws or clamps
    • B29C66/814—General aspects of the pressing elements, i.e. the elements applying pressure on the parts to be joined in the area to be joined, e.g. the welding jaws or clamps characterised by the design of the pressing elements, e.g. of the welding jaws or clamps
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    • B29C66/81411—General aspects of the pressing elements, i.e. the elements applying pressure on the parts to be joined in the area to be joined, e.g. the welding jaws or clamps characterised by the design of the pressing elements, e.g. of the welding jaws or clamps characterised by the surface geometry of the part of the pressing elements, e.g. welding jaws or clamps, coming into contact with the parts to be joined characterised by its cross-section, e.g. transversal or longitudinal, being non-flat
    • B29C66/81415—General aspects of the pressing elements, i.e. the elements applying pressure on the parts to be joined in the area to be joined, e.g. the welding jaws or clamps characterised by the design of the pressing elements, e.g. of the welding jaws or clamps characterised by the surface geometry of the part of the pressing elements, e.g. welding jaws or clamps, coming into contact with the parts to be joined characterised by its cross-section, e.g. transversal or longitudinal, being non-flat being bevelled
    • B29C66/81417—General aspects of the pressing elements, i.e. the elements applying pressure on the parts to be joined in the area to be joined, e.g. the welding jaws or clamps characterised by the design of the pressing elements, e.g. of the welding jaws or clamps characterised by the surface geometry of the part of the pressing elements, e.g. welding jaws or clamps, coming into contact with the parts to be joined characterised by its cross-section, e.g. transversal or longitudinal, being non-flat being bevelled being V-shaped
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C66/00—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung zum Verschweißen einer Folienbahn. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Verschweißen einer Folienbahn in einer Form-, Füll- und Schweißverpackungsmaschine.
  • Typischerweise werden Form-, Füll- und Schweißverpackungsmaschinen verwendet, um ein Produkt in einem flexiblen Behälter zu verpacken. Dabei werden Form-, Füll- und Schweißverpackungsmaschinen verwendet, um Pharmazeutika, Molkereiprodukte, Wein, Nahrungsmittel, Kosmetika und andere Produkte in flexible Behälter einzuschweißen. Die Form-, Füll- und Schweißverpackungsmaschine bildet eine Vorrichtung zum Verpacken dieser Produkte auf eine zweckmäßige Weise.
  • Bei einer Art von Form-, Füll- und Schweißverpackungsmaschine wird eine thermoschweißbare Folienbahn über einen Formkern oder Dorn geleitet, der die Folie zu einer Schlauchgestalt formt. Um die Schlauchgestalt zu erhalten, wird die Folie in Längsrichtung gefaltet und entlang aneinander anliegenden Längsrändern thermoverschweißt. Die Schlauchfolie wird dann um ein rohrförmiges Füllsystem geleitet, das das zu verpackende Produkt in die Schlauchfolie abgibt. Um Einzelpackungen (nachstehend "Beutel" genannt) zu bilden, muß die Folienbahn über ihre Breite verschweißt werden, um seitliche Schweißnähte zu bilden. Diese seitlichen Schweißnähte werden gewöhnlich von einer Schweißeinrichtung gebildet, die die zweite Schweißnaht für einen Beutel bildet, während sie gleichzeitig die erste Schweißnaht für den nächsten Beutel herstellt. Nach der Bildung der seitlichen Schweißnähte kann dann die Folienbahn typischerweise zwischen den Schweißnähten durchtrennt werden, um Einzelbeutel zu bilden.
  • Es gibt eine Reihe verschiedener Verfahren zum Verschweißen der Folienbahn, um eine Schweißnaht in der Folienbahn zu bilden. Ein Verfahren besteht darin, ein Schweißelement zu verwenden. Bei einer typischen Form-, Füll- und Schweißverpackungsmaschine wird das Schweißelement an einem Satz Backen befestigt, die hydraulisch betätigt werden, um die Folienbahn zu greifen. Beispielsweise wird bei der Bildung der seitlichen Schweißnähte, wenn die Backen die Folienbahn greifen, das Schweißelement gegen die Folie gedrängt, wobei ein Bereich der Folienbahn mit sich selbst verschweißt wird. Nachdem der Heizstab die Folienbahn zum Schmelzen gebracht hat, wird typischerweise ein Messer betätigt, das die Folienbahn zwischen den Schweißnähten durchtrennt, um einen flexiblen Beutel zu bilden.
  • Beim Bilden insbesondere der seitlichen Schweißnähte in einer Folienbahn ist eines der damit verbundenen Probleme das Erwärmen der Folienbahn auf eine ausreichende Temperatur, so daß sie schmilzt und mit sich selbst verschweißt wird, und das Abkühlen derselben, bevor die Verpackungsmaschine zu dem nächsten Schritt des Verfahrens getaktet wird, so daß die Schweißnähte nicht auseinandergehen oder geschwächt werden. Bei einer typischen Form-, Füll- und Schweißverpackungsmaschine beträgt die Zykluszeit der Maschine ca. 3 s. Während des Zeitraums von 3 s müssen also die Backen zusammenkommen, die Folienbahn zum Schmelzen gebracht und die Folienbahn dann ausreichend abgekühlt werden, so daß die Folie zur nächsten Stufe des Verfahrens vorgerückt werden kann.
  • Einige der bekannten Form-, Füll- und Schweißverpackungsmaschinen haben die Folienbahn während der Zykluszeit nicht ausreichend abgekühlt, und resultierende Beutel, die mit diesen Maschinen hergestellt worden sind, haben somit eine inakzeptable Anzahl von Schweißnahtausfällen. Eine der Schwierigkeiten beim Kühlen des Schweißelements oder -stabs besteht darin, daß er typischerweise mit einer Trennschicht wie etwa einem Teflonband bedeckt oder beschichtet ist. Diese Trennschicht verhindert, daß Folie an dem Schweißelement haftet, macht es aber auch schwierig, das Schweißelement ausreichend zu kühlen.
  • Die Tatsache, daß es nicht gelingt, die Folie ausreichend schnell abzukühlen, führt typischerweise zu zwei Arten von Mängeln. Ein Mangel besteht darin, daß das geschmolzene Material zu einer Faserform gezogen wird, was in einer schwächeren Schweißnaht resultiert. Ein zweiter Mangel besteht darin, daß sich die geschmolzene Schweißnaht unter Innendruck bei Öffnen der Backe lösen kann, wodurch Undichtigkeiten und/oder eine schwache Schweißnaht entstehen.
  • In manchen Industriezweigen ist die Festigkeit der Schweißnähte kritischer als in anderen. Beispielsweise werden in der pharmazeutischen Industrie flexible Beutel zur Aufnahme von parenteralen oder enteralen Produkten typischerweise Falltests unterzogen, um ihre Festigkeit zu testen. Ein Test, der manchmal angewandt wird, ist ein Sechs-Fuß-Fall- test. Wenn die Schweißnähte nicht fest sind, übersteht der flexible Beutel einen Fall aus einer Höhe von 1,8 m (6 ft) offensichtlich nicht.
  • Ein weiterer Nachteil bei einigen der bekannten Form-, Füll- und Schweißverpackungsmaschinen ist, daß die Folienbahn während des Schweißvorgangs nicht ausreichend erwärmt oder auf eine zu hohe Temperatur erwärmt wird. Wenn die Folienbahn nicht ausreichend erwärmt wird, erfolgt selbstverständlich kein ausreichendes Vermischen der Moleküle der Folie an der Grenzfläche, und es wird somit keine feste Schweißnaht gebildet. Wenn die Folie auf eine zu hohe Temperatur erwärmt wird, besteht die Gefahr, daß die Folie an der Oberfläche des Schweißelements haftet. Es besteht ferner die Gefahr einer Folienverschlechterung, wenn die Folie auf eine zu hohe Temperatur erwärmt wird.
  • Es ist schwierig, die Temperatur, auf die die Folie erwärmt wird, zu steuern. Beim Verschweißen der Folie gibt es gewisse Verarbeitungsunsicherheiten, die es schwierig gemacht haben, die Folienbahn auf eine bestimmte Temperatur zu erwärmen. Diese Verfahrensvariablen umfassen: Schwankungen in der Versorgungsleitung der Heizeinrichtung; eine Widerstandsänderung der Heizeinrichtung über die Zeit; eine Widerstandsänderung der Heizeinrichtung in bezug auf Umgebungstemperaturen; eine Umgebungstemperatur- und Feuchtigkeitsänderung; die Wirkung des Füllmediums auf die Wärmeübertragung von dem Schweißelement auf die Folie; die Präzision der Kraftübertragungs-Umwandlungseinrichtungen; Änderungen des Leistungsübergangswiderstands; sowie Unsicherheiten und Unbeständigkeiten aufgrund der Trennschicht. Ferner muß die Trennschicht aufgrund ihrer Verschlechterung alle 6-8 h ausgewechselt werden.
  • Obwohl eine Reihe dieser Variablen beseitigt und die restlichen gesteuert werden könnten, wenn es möglich wäre, die Temperatur an der Folie zu messen, war es bisher schwierig, die Temperatur der Folienbahn zu messen, während sie erwärmt wird. Eine der Schwierigkeiten rührt daher, daß das Schweißelement, das die Folienbahn erwärmt, entweder mit einer Trennschicht beschichtet ist, um zu verhindern, daß die Folienbahn an dem Schweißstab haftet, oder einen Schutzbelag wie etwa ein Teflonband aufweist. Es ist also nicht möglich, die Temperatur der Folie zu messen und den Schweißstab entsprechend zu regeln, weil der Schweißstab die Folienbahn nicht unmittelbar berührt.
  • US-A-4761197 beschreibt eine Vorrichtung zum Verschweißen einer Folienbahn in einer Verpackungsmaschine, wobei die Vorrichtung einen Schweißstab, der keine Trennschicht hat und betätigbar ist, um mindestens einen Bereich der Folienbahn zum Schmelzen zu bringen, sowie drei Thermoelemente aufweist, die von der Fläche des Schweißstabs, der die Folienbahn unmittelbar berührt, beabstandet sind.
  • Der Oberbegriff von Anspruch 1 beruht auf US-A-4761197, und die unterschiedlichen Merkmale der Erfindung sind im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 aufgeführt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird eine verbesserte Vorrichtung zum Verschweißen einer Folienbahn in einer Verpackungsmaschine bereitgestellt. Die Vorrichtung weist einen Schweißstab auf, um eine Folienbahn auf eine Temperatur zu erwärmen, die ausreicht, um wenigstens einen Bereich der Folienbahn zu schmelzen. Der Schweißstab hat eine Fläche, die die Folienbahn unmittelbar berührt und keine Trennschicht hat. Die Vorrichtung weist ferner eine Einrichtung zum Aufheizen des Schweißstabs und Einrichtungen zum Kühlen des Schweißstabs auf. Die Einrichtung zum Aufheizen des Schweißstabs und die Einrichtungen zum Kühlen des Schweißstabs sind wirksam, um den Schweißstab während eines Zyklus der Verpackungsmaschine aufzuheizen und zu kühlen. Ferner weist die Vorrichtung eine Einrichtung auf, um die Temperatur eines Bereichs der Folienbahn zu messen, wobei die Meßeinrichtung auf der Fläche des Schweißstabs liegt.
  • Bei einer Ausführungsform weist der Schweißstab einen Kanal auf, und die Kühleinrichtung weist ein Fluid auf, das in den Kanal des Schweißstabs geleitet wird.
  • Bei einer Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Einrichtung auf, um die Temperatur des Schweißstabs zu regeln, wobei die Einrichtung zum Messen der Temperatur der Folie mit der Einrichtung zum Regeln zusammenwirkt.
  • Bei einer Ausführungsform weist der Schweißstab eine Einrichtung auf, um die Folienbahn zu durchtrennen.
  • Es ist ein Vorteil der Erfindung, daß sie eine Vorrichtung zum Verschweißen einer Folienbahn bereitstellt, die eine Einrichtung zum Messen der Temperatur eines geschmolzenen Bereichs der Folienbahn aufweist.
  • Vorteilhafterweise weist die Vorrichtung Einrichtungen zum Messen der Temperatur eines geschmolzenen Bereichs der Folienbahn und zum Regeln der Temperatur des Schweißstabs auf.
  • Ferner weist die Vorrichtung einen Schweißstab auf, der die Folienbahn unmittelbar berührt und keine Trennschicht hat.
  • Die Vorrichtung weist Einrichtungen auf, um die Folienbahn während einer Zykluszeit einer Form-, Füll- und Schweißverpackungsmaschine ausreichend zu erwärmen und dann ausreichend abzukühlen.
  • Die Vorrichtung ist betätigbar, um eine Folienbahn in einer Form-, Füll- und Schweißverpackungsmaschine zu verschweißen und gleichzeitig zu durchtrennen.
  • Ferner ist es ein Vorteil der Vorrichtung, daß sie das Steuern und/oder Beseitigen von vielen Verfahrensvariablen, die bei typischen Schweißvorrichtungen vorhanden sind, zuläßt.
  • Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung ist, daß sie eine Möglichkeit zum Verschweißen einer Folienbahn angibt, wobei bei Beendigung des Schweißvorgangs eine vollständig verfestigte Schweißnaht mit guter mechanischer Festigkeit bei nahezu Umgebungstemperatur geschaffen wird.
  • Weitere Merkmale und Vorteile sind in der detaillierten Beschreibung der derzeit bevorzugten Ausführungsformen und den Zeichnungen erläutert und daraus ersichtlich.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Figur 1 zeigt eine Perspektivansicht der Vorrichtung zum Verschweißen einer Folienbahn.
  • Figur 2 zeigt einen Querschnitt der Schweißvorrichtung entlang der Linie II-II von Figur 1.
  • Figur 3 zeigt eine Perspektivansicht des Schweißstabs der Vorrichtung.
  • Figur 4 zeigt im einzelnen einen Bereich des Schweißstabs von Figur 3 und das Thermoelement.
  • Figur 5 zeigt ein Diagramm des Arbeitstakts des Schweißstabs.
    • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER DERZEIT BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
  • Es wird eine Vorrichtung zum Verschweißen einer Folienbahn bereitgestellt, bevorzugt zum Gebrauch in einer Form-, Füll- und Schweißverpackungsmaschine. Im vorliegenden Zusammenhang bedeutet der Begriff "Form-, Füll- und Schweißverpackungsmaschine" eine Verpackungsmaschine, um aus einer Folienbahn einen Beutel oder eine Tasche herzustellen, die mit einem Produkt gefüllt ist. Bei einer typischen Form-, Füll- und Schweißverpackungsmaschine wird die Folienbahn entlang aneinander anliegenden Längsrändern gefaltet und mit sich selbst verschweißt. Die Folie wird dann mit einem Produkt gefüllt, und seitliche Schweißnähte werden gebildet. Die Folienbahn wird dann zwischen den seitlichen Schweißnähten durchtrennt, um Einzelbeutel herzustellen.
  • Die Ausführungsform der Erfindung, die in der vorliegenden Patentanmeldung speziell beschrieben ist, ist auf die Bildung der seitlichen Schweißnähte in der Folienbahn gerichtet. Die hier besprochene Ausführungsform der Erfindung ist also in einer Vorrichtung zum Verschweißen und Durchtrennen einer Folienbahn vorgesehen. Selbstverständlich kann die Schweißvorrichtung in einer anderen Stufe der Verpackungsmaschine verwendet werden, d. h., um die längs verlaufenden Schweißränder zu bilden, und sie kann in anderen Verpackungsmaschinen oder mit anderen Vorrichtungen verwendet werden, um eine Folienbahn zu verschweißen und/oder zu durchtrennen.
  • Wie oben erwähnt, betrifft die Erfindung das Bilden von Schweißnähten in einer Folienbahn durch die Anwendung von Thermoschweißverbindungen. Der Begriff "Thermoschweißverbindung" bezieht sich auf ein molekulares Vermischen der Folie an der Grenzfläche, um eine Zug- und Scherfestigkeit zu erzielen, die der der Ausgangsfolie angenähert ist. Um diese Thermoschweißverbindung und daher molekulares Grenzflächen-Vermischen zu erreichen, ist es erforderlich, die Folie auf eine ausreichende Temperatur zu erwärmen. Wie im Hintergrund der Erfindung dargelegt ist, muß dies unter Berücksichtigung der Tatsache erfolgen, daß die Folie auf eine ausreichende Temperatur abgekühlt werden muß, so daß die Folie zum nächsten Schritt des Form-, Füll- und Schweißverpackungsverfahrens getaktet werden kann.
  • Es wird eine verbesserte Vorrichtung zum Verschweißen einer Folienbahn bereitgestellt, bei der ein Schweißstab vorgesehen ist, der die Folienbahn unmittelbar berührt und eine Einrichtung aufweist, um die Temperatur der Folienbahn zu messen, so daß die Folie während des Schweißvorgangs ausreichend erwärmt wird. Ferner sind Einrichtungen vorgesehen, um den Schweißstab zu kühlen, so daß die Folienbahn auf ungefähr ihre Kristallisations- oder Verfestigungstemperatur abgekühlt werden kann, die es der Folie gestattet, von den Backen freigegeben und zum nächsten Schritt in der Verpackungsmaschine ohne Schwächung oder Zerstörung der seitlichen Schweißnähte getaktet zu werden.
  • Die Figuren 1 und 2 zeigen die Vorrichtung 10 zum Verschweißen und Durchtrennen der Folienbahn 16. Wie gezeigt ist, weist die Vorrichtung eine erste Backe 12 und eine zweite Backe 14 auf. Die Backen 12 und 14 liegen auf entgegengesetzten Seiten der Folienbahn 16 einander diametral gegenüber. Die Backen 12 und 14 sind wirksam, um die Folienbahn 16 während des Schweiß und Durchtrennvorgangs der Form-, Füll- und Schweißverpackungsmaschine zu greifen.
  • In der Backe 12 ist ein Schweißstab 18 angeordnet, um die Folienbahn zu verschweißen und zu durchtrennen. Wie nachstehend genauer erläutert wird, ist der Schweißstab 18 wirksam, um seitliche Schweißnähte in der Folienbahn 16 zu bilden und um die Folienbahn zu durchtrennen, um Einzelbeutel oder -taschen herzustellen, die ein Produkt enthalten.
  • Diametral zu dem Schweißstab 18 ist in der Backe 14 ein Gegenelement 20 angeordnet. Das Gegenelement 20 weist eine elastische Fläche 22 auf, die wirksam ist, um mindestens einen Bereich der Folienbahn 16 gegen den Schweißstab 18 zu drängen, so daß die Folienbahn verschweißt und durchtrennt werden kann.
  • Figur 3 zeigt den Schweißstab 18. Der Schweißstab 18 kann jede Einrichtung zum Verschweißen einer Folienbahn in einer Verpackungsmaschine sein. Bevorzugt ist der Schweißstab 18 eine Impulsschweißeinrichtung. Aufgrund der neuen Konstruktion des Schweißstabs 18 ist der Schweißstab 18 jedoch so ausgebildet und angeordnet, daß er keine Trennschicht an seiner Oberfläche benötigt. Eine Fläche 19 des Schweißstabs berührt also die Folienbahn 16 unmittelbar. Bevorzugt hat der Schweißstab 18 eine Konstruktion, die der in EP-A-400117 as beschriebenen im wesentlichen ähnlich ist.
  • Wie gezeigt ist, weist der Schweißstab 18 zwei Plateaubereiche 24 und 26 sowie einen vorspringenden Dreieckbereich 28 auf. Der Dreieckbereich 28 ist wirksam, um die Folienbahn 16 zu durchtrennen, während die Plateubereiche 24 und 26 gemeinsam mit dem Dreieckbereich 28 wirksam sind, um die seitlichen Schweißnähte in der Folienbahn 16 zu bilden. Aufgrund der neuen Konstruktion des Schweißstabs 18 berührt dieser die Folienbahn 16 unmittelbar und weist keine Trennschicht wie etwa ein Teflonband auf. Wie im Hintergrund der Erfindung dargelegt ist, ist bei einigen bekannten Schweißvorrichtungen das Schweißelement mit einer Trennschicht bedeckt oder beschichtet. Wenn an einem Schweißstab eine Trennschicht verwendet wird, ist es aufgrund des langsamen Wärmeübergangs schwierig, den Schweißstab und somit die Folienbahn ausreichend abzukühlen. Ferner macht es die Trennschicht schwierig, die Temperatur der Folienbahn zu messen. Da der Schweißstab 18 die Folienbahn 16 unmittelbar berührt, ist es bei der Erfindung möglich, die Einrichtung zum Messen der Temperatur des geschmolzenen Bereichs der Folie an einer Fläche 19 des Schweißstabs anzuordnen.
  • Wie in Figur 3 gezeigt ist, ist also ein Temperatursensor 30 an einer Fläche 19 des Plateaubereichs 26 angeordnet. Figur 4 zeigt eine genauere Ansicht des Temperatursensors 30. Bevorzugt weist der Temperatursensor 30 eine Plattform 29 auf, die über eine Klebstoffschicht 31 mit der Fläche 19 des Schweißstabs 18 verklebt ist. Ein Klebstoff, von dem gefunden wurde, daß er befriedigend wirkt, ist ein Hochtemperatur-Klebstoff auf Keramikbasis. Die Plattform 29 ist aus einen nichtleitenden Material, beispielsweise einem Keramikmaterial, gebildet. Auf der Oberseite der Plattform 29 befindet sich bevorzugt ein Thermoelement 34. Es ist gefunden worden, daß ein Eisen-Konstantan- sowie ein Kupfer- Konstantan-Thermoelement befriedigend arbeiten. Bevorzugt ist das Thermoelement 34 ein Folien-Thermoelement mit einer Dicke von ungefähr 0,127 mm (0,005 inch) bis ungefähr 0,00254 mm (0,0001 inch). Es ist gefunden worden, daß eine von Omega bezogene Thermoelementfolie befriedigend arbeitet.
  • Bevorzugt ist das Thermoelement 34 in eine Schutzhülse 36 eingekapselt. Die Schützhülse kann aus einem Keramik- oder Glasmaterial gebildet sein. Wie gezeigt ist, weist das Thermoelement 34 Zuleitungen 37 und 38 auf, die zulassen, daß das Thermoelement mit einer Steuereinrichtung 41 zum Regeln der Temperatur des Schweißstabs 18 verbunden wird. Die Schützhülse 36 bedeckt die Zuleitungen 37 und 38. Von einem Ende der Schützhülse 36 erstreckt sich jedoch eine stumpfverklebte Anschlußstelle 39 des Termoelements 34, um die Temperatur des geschmolzenen Bereichs der Folie 16 zu messen.
  • Da das Thermoelement 34 unmittelbar auf der Fläche 19 des Schweißstabs 18 angeordnet ist und der Schweißstab 18 die Folienbahn 16 unmittelbar berührt, kann die Temperatur des geschmolzenen Bereichs der Folienbahn 16 unmittelbar gemessen werden. Daher werden zahlreiche Nachteile von einigen bekannten Vorrichtungen, bei denen die Temperatur des geschmolzenen Bereichs der Folie nicht gemessen werden konnte, überwunden oder unter Kontrolle gebracht. Insbesondere können Verarbeitungsunsicherheiten und resultierende Schwankungen der Schweißnahtqualität der Produkte kontrolliert oder beseitigt werden, beispielsweise: Schwankungen in der Versorgungsleitung der Heizeinrichtung; eine Widerstandsänderung der Heizeinrichtung über die Zeit; eine Widerstandsänderung der Heizeinrichtung in bezug auf die Temperatur; Umgebungstemperatur- und Feuchtigkeitsänderungen; Wirkungen der Temperatur des Füllmediums auf die Wärmeübertragung von dem Schweißstab auf die Folie; die Präzision der Kraftübertragungs-Umwandlungseinrichtungen; Änderungen des Hauptschalter-Übergangswiderstands; und Unsicherheiten aufgrund der Abnutzung und des Alters der Trennschicht. Da die Temperatur unmittelbar an der Folie selbst gemessen wird, können diese Variablen entweder eliminiert oder ihre Wirkungen verringert werden.
  • Der Temperatursensor einschließlich des Thermoelements 34 ist bevorzugt in einer Position angeordnet, wo er die zu bildende Schweißnaht im wesentlichen nicht stört. Wenn beispielsweise die zu bildende Schweißnaht Zickzackform hat, kann das Thermoelement dort angeordnet sein, wo der Außenbereich der Zickzackgestalt gebildet wird.
  • Wie bereits erwähnt, ist der Schweißstab 18 wirksam, um die Folienbahn 16 auf eine ausreichende Temperatur zu erwärmen, um ein molekulares Grenzflächen-Vermischen der Moleküle eines Bereichs der Folienbahn 16 zu bewirken. Zu diesem Zweck wird der Schweißstab 18 bevorzugt auf eine Temperatur von ca. 50 ºC über dem Schmelzpunkt der Folienbahn 16 aufgeheizt. Zum Aufheizen des Schweißstabs 18 ist eine Steuereinrichtung 41 vorgesehen. Die Steuereinrichtung ist wirksam, um den Schweißstab zu bestimmten Zeiten aufzuheizen, wie nachstehend erläutert wird. Die Energiemenge, die dem Schweißstab 18 zugeführt wird, wird zum Teil von dem Thermoelement 34 bestimmt. Es kann jede bekannte Steuereinrichtung zum Steuern eines Impulssystems als die Steuereinrichtung 41 verwendet werden. Ein Beispiel für eine Steuereinrichtung, die sich als zufriedenstellend arbeitend erwiesen hat, ist eine von Robicon Company, Pittsburgh, Pennsylvania, hergestellte Steuereinheit. Der Schweißstab 18 ist durch leitende Elemente 51 und 53, die nahe an jedem Ende des Schweißstabs befestigt sind, mit der Steuereinrichtung verbunden.
  • Es ist nicht nur erforderlich, daß der Schweißstab 18 die Folienbahn 16 erwärmt und Schweißnähte darin bildet, sondern es ist auch erforderlich, daß der Schweißstab die Folienbahn abkühlt, bevor die Backen 12 und 14 die Folienbahn freigeben, so daß die Folie zu dem nächsten Schritt im Form-, Füll- und Schweißverpackungsverfahren weitergeleitet werden kann. Wie nachstehend im einzelnen ausgeführt ist, kühlt der Schweißstab 18 den geschmolzenen Bereich der Folienbahn 16 innerhalb des 3-Sekunden-Zeitfensters für das Takten der Verpackungsmaschine auf mindestens ihre Kristallisationstemperatur ab, die bei Polyethylen ca. 120 ºC und bei Polyproplyn-, Polyethylencopolymeren ca. 90 ºC beträgt.
  • Zu diesem Zweck weist der Schweißstab 18 Wände 40 auf, die einen Kanal 42 darin definieren, wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt ist. Die Wände 40 des Schweißstabs 18 sind dünn, um zuzulassen, daß sie auf eine zweckmäßige Weise erwärmt und gekühlt werden. Bevorzugt hat der Schweißstab 18 Wände 40 mit einer Dicke von ca. 0,508 mm (0,02 inch) bis ca. 0,0762 mm (0,003 inch). Am meisten bevorzugt haben die Wände eine Dicke von 0,127 bis ca. 0,1524 mm (0,005 bis ca. 0,006 inch). Bevorzugt ist der Schweißstab 18 aus einem Nichromrohr gebildet.
  • Wie insbesondere Figur 1 zeigt, wird, um den Schweißstab 18 zu kühlen, ein Fluid, bevorzugt Wasser mit Umgebungstemperatur, veranlaßt, durch den Kanal 42 des Schweißstabs 18 zu fließen. Um dies zu erreichen, ist ein zweiter Kanal 44 mit dem Kanal 42 verbunden und steht damit in Fluidverbindung, und Wasser mit Umgebungstemperatur wird veranlaßt, durch den zweiten Kanal 44 in den Kanal 42 zu fließen. Das Wasser tritt dann durch einen dritten Kanal 46 aus dem Kanal 42 aus.
  • Da der Schweißstab 18 auf die vorstehend erläuterte Weise ausgebildet ist und da ferner der Schweißstab keine Trennschicht wie etwa Teflonband oder -gewebe aufweist, ist es möglich, den Schweißstab und daher den geschmolzenen Bereich der Folie innerhalb des 3-Sekunden-Fensters der Form-, Füll- und Schweißverpackungsmaschine auf nahezu Umgebungstemperatur abzukühlen. Da der Schweißstab 18 ausreichend gekühlt wird, haftet ferner die Folie 16 nicht an dem Schweißstab 18. Dies beruht auf der Tatsache, daß der Schweißstab 18 ausreichend rasch auf nahezu Umgebungstemperatur gekühlt wird, um den geschmolzenen Bereich der Folie auf nahezu Umgebungstemperatur abzukühlen; daher haftet die Folie nicht an dem Schweißstab, und die Folie wird in dem Schweißbereich kristallisiert oder verfestigt. Dies wird zum Teil durch das aktive Kühlen des Schweißstabs 18 auf nahezu Umgebungstemperatur erreicht.
  • In Figur 5 ist ein Diagramm des Arbeitstakts des Schweißstabs gezeigt. Wie dargestellt ist, wird zum Zeitpunkt A der Schweißstab aufgeheizt, nachdem die Backen 12 und 14 die Folienbahn 16 zwischen sich festgeklemmt haben. Während dieser Zeit enthält der Kanal 42 des Schweißstabs 18 ein gasförmiges Material wie etwa Luft. Zum Zeitpunkt B wird der Strom zu dem Heizelement des Schweißstabs abgeschaltet. Nachdem der Schweißstab 18 auf eine Temperatur von ca. 350 ºC aufgeheizt worden ist, wird zum Zeitpunkt C ein Fluid, bevorzugt Wasser mit Umgebungstemperatur, in den Kanal 42 eingeleitet. Dies führt dazu, daß der Schweißstab 18 aufgrund seiner Konstruktion innerhalb des in dem Diagramm gezeigten Zeitrahmens auf nahezu Umgebungstemperatur gekühlt und somit die Folienbahn 16 in dem Schweißbereich kristallisiert wird. Dann wird Luft in den Kanal 42 eingeleitet, die bewirkt, daß das Wasser aus dem Kanal 42 hinausgedrückt wird. Die Backen 12 und 14 können dann geöffnet und die Folie 16 kann dann zu dem nächsten Schritt im Form-, Füll- und Schweißverfahren getaktet werden. Wie gezeigt ist, kann das Erwärmen und Abkühlen der Folie innerhalb von ca. 2,5 s durchgeführt werden. Dies ist also deutlich innerhalb des 3-Sekunden-Fensters, das bei einer typischen Form-, Füll- und Schweißverpackungsmaschine benötigt wird.

Claims (13)

1. Vorrichtung (10) zum Verschweißen einer Folienbahn (16) in einer Verpackungsmaschine, wobei die Vorrichtung (10) aufweist:
einen Schweißstab (18), um die Folienbahn (16) auf eine Temperatur zu erwärmen, die ausreicht, um wenigstens einen Bereich der Folienbahn (16) zu schmelzen, wobei der Schweißstab (18) eine Fläche (19) aufweist, die die Folienbahn (16) unmittelbar berührt und keine Trennschicht hat; und
eine Heizeinrichtung, um den Schweißstab während eines Zyklus der Verpackungsmaschine aufzuheizen, gekennzeichnet durch Kühleinrichtungen (40, 42, 44, 46), um den Schweißstab (18) zu kühlen, wobei die Kühleinrichtungen (40, 42, 44, 46) wirksam sind, um den Schweißstab (18) während des genannten Zyklus der Verpackungsmaschine zu kühlen;
und eine Meßeinrichtung (30), die auf der Fläche (19) des Schweißstabs (18) angeordnet ist, um die Temperatur des geschmolzenen Bereichs der Folienbahn (16) direkt zu messen, wenn diese auf der Fläche (19) des Schweißstabs (18) liegt, sowie eine Steuereinrichtung (41), die auf die Meßeinrichtung anspricht, um die Temperatur des Schweißstabs (18) zu regeln.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Schweißstab (18) einen Kanal (42) aufweist und die Kühleinrichtungen (40, 42, 44, 46) Fluid aufweisen, das in den Kanal (42) geleitet wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Meßeinrichtung (30) ein Thermoelement (34) aufweist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schweißstab (18) eine Einrichtung (28) aufweist, um die Folienbahn (16) zu durchtrennen.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Heizeinrichtung und die Kühleinrichtungen (40, 42, 44, 46) zusammenwirken, um den Schweißstab (18) auf eine Temperatur zu aufzuheizen, die ausreicht, um den Bereich der Folie (16) zu schmelzen, und um den Schweißstab (18) auf eine Temperatur abzukühlen, die ausreicht, um zu bewirken, daß der geschmolzene Bereich der Folie (16) während des genannten Zyklus der Form-, Füll- und Schweißverpackungsmaschine kristallisiert, wodurch verhindert wird, daß der Bereich nach seinem Schmelzen durch den Schweißstab (18) an dem Schweiß stab (18) haftet.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Thermoelement (34) eine Querschnittsdicke von ca. 0,127 mm bis ca. 0,00254 mm (0,005 inch bis ca. 0,0001 inch) hat.
7. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Schweißstab (18) im wesentlichen hohl ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Schweißstab (18) Wände mit einer Querschnittsdicke von ca. 0,508 mm bis ca. 0,0762 mm (0,02 inch bis ca. 0,003 inch) hat.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die betätigbar ist, um eine Folienbahn (16) in einer Zykluszeit von weniger als ca. 3 s zu verschweißen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Einrichtung (28) zum Durchtrennen einen erhabenen Bereich an dem Schweißstab (18) aufweist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Thermoelement (34) durch einen Klebstoff (31) auf keramischer Basis an dem Schweißstab (18) befestigt ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Thermoelement (34) ein Eisen-Konstantan- oder Kupfer-Konstantan-Thermoelement ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schweißstab (18) ein Impulsschweißstab ist und die Heizeinrichtung in Form einer Stromquelle ist, die mit dem Schweißstab (18) verbunden ist.
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