DE69831760T2

DE69831760T2 - Ultraschall-Schweissbacke

Info

Publication number: DE69831760T2
Application number: DE69831760T
Authority: DE
Inventors: Peter Giacomelli; Erik Schott; Ikuro Arlington Heights Yokoyama; Takashi Omiya; Michio Sugata
Original assignee: Tetra Laval Holdings and Finance SA
Current assignee: Tetra Laval Holdings and Finance SA
Priority date: 1997-02-21
Filing date: 1998-02-17
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2018-02-18
Also published as: EP1009618A1; ATE305380T1; NO994038D0; CH693667A5; JP4107357B2; DE69831760D1; AU720357B2; EP1009618B9; ATE251542T1; NO994038L; EP1287970A2; DE69818840D1; SE9902812D0; SE9902812L; DE69818840T2; EP1009618B1; EP1287970B1; AU6174698A; NO319609B1; JP2001522321A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Ultraschall-Schweißbacken. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen Ultraschall-Schweißbacken mit akustischer Isolation.
Giebeldachkartons oder -behälter sind zur Verpackung von Milch, Säften und anderen Nahrungsmitteln sowie vielen weiteren Produkten weit verbreitet. Solche Kartons werden aus Zuschnitt, der mit sich selbst warmverschweißbar ist, hergestellt. Das typische Material ist Karton, der auf beiden Seiten mit Polyethylen oder einem anderen warmverschweißbaren Material beschichtet ist.
Giebeldachverschlüsse werden normalerweise dadurch versiegelt, dass der Karton entlang von vorgefertigten Falzlinien geformt wird, um einen nach oben abstehenden Steg zu bilden (oder einen entsprechenden Steg zur Versiegelung an der Unterseite), der mehrere Schichten aus warmverschweißbaren Material aufweist. Der Steg wird zwischen einem Ultraschallhorn bzw. -kopf und einem Backen eingespannt, wobei Ultraschallenergie über das Horn an die Verbindung geleitet wird und das warmverschweißbare Material im Steg zum Schmelzen bringt, wodurch die Versiegelung hergestellt wird.
Ein Problem, das bei der Konstruktion von Ultraschallschweiß-Ausrüstung besteht, ist zu verhindern, dass die separaten, beweglichen Teile der Ausrüstung zusammengeschweißt werden, wenn sie aus Versehen oder absichtlich während des Schweißvorgangs zusammen kommen. Ein anderes Problem ist das Kühlen des Backens oder der Backen während des Schweißvorgangs, ohne den Schweißvorgang zu stören. Ein weiteres Problem entsteht durch das Streuen von Ultraschallvibrationen vom Schweißort zu anderen Teilen des Backens oder der Ausrüstung. Einige Isolationsmittel zum akustischen Isolieren der Komponenten beim Ultraschallversiegeln oder Ultraschallschweißen werden in den US Patenten Nr. 3,294,616 und 4,256,529 beschrieben.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Backen zur Verwendung mit einem Ultraschallhorn bzw. -kopf zum Versiegeln des Verschlusses eines Kartons mit ersten und zweiten Seiten, der in einer Versiegelposition angeordnet ist. Ein typischer Verschluss, der mit dem erfindungsgemäßen Backen versiegelt werden kann, ist ein Giebeldachverschluss oder ein Unterseitenverschluss eines Kartons für flüssige Nahrungsmittel. Der Backen hat ein vorderes Ende, das dem Ultraschallhorn zugewandt ist und weist folgendes auf: einen Backenkörper; einen Vibrationsteil, der vor dem Backenkörper angeordnet ist; einen Versiegelungsteil, der mit dem Vibrationsteil verbunden ist; Isolationsteile, die den Backenkörper akustisch isolieren und die zwischen dem Backenkörper und dem Vibrationsteil angeordnet sind; und ein im Backen angeordnetes Kühlsystem. Gemäß der vorliegenden Erfindung weisen die Isolierteile zum akustischen Isolieren des Backens eine Membran auf, die aus Gummi oder Kautschuk besteht und so gestaltet ist, dass sie einen ersten geradlinigen Teil parallel zum Versiegelungsteil, einen ersten Diagonalteil, der mit dem ersten geradlinigen Teil verbunden ist, einen zweiten geradlinigen Teil, der parallel. zum ersten geradlinigen Teil, gegenüber diesem zurückversetzt, und mit dem ersten Diagonalteil an einem zur Verbindungsstelle des ersten Diagonalteils mit einem ersten geradlinigen Teil entgegengesetzten Ende mit dem ersten Diagonalteil verbunden ist, einen zweiten Diagonalteil, der mit dem ersten Diagonalteil an einem Ende verbunden ist, das der Verbindungsstelle des ersten Diagonalteils mit dem zweiten geradlinigen Teil entgegengesetzt gerichtet ist, und einen dritten geradlinigen Teil aufweist, der mit dem zweiten Diagonalteil verbunden ist und sich parallel zum Versiegelungsteil und in derselben Ebene wie der erste geradlinige Teil erstreckt und die Verbindungskraft relativ zu der Wiederholungs- bzw. Repetitivkraft erhöht. Der erfindungsgemäße Backen ist eine Komponente eines Kartonversieglers, der eine Station in einer Verpackungsmaschine für Giebeldachbehälter sein kann. Der Versiegelungsabschnitt hat normalerweise ein vorbestimmtes Versiegelungsmuster und ist normalerweise über dem Vibrationsteil angeordnet.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls auf ein Backensystem zur Verwendung mit einer Mehrzahl von Ultraschallhörnern. Das Backensystem beinhaltet eine Backenstange, die mit einem Backenantrieb verbunden ist und die die Bewegung auf den Backenstab überträgt; eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen Backen wie oben beschrieben, die mit der Backenstange verbunden sind und jeweils zur Durchführung einzelner Versieglungsoperationen in Verbindung mit dem Ultraschallhorn in der Lage sind; und eine Mehrzahl von internen Backenverbindungsrohren zur Übertragung von Wärme absenkendem Fluidum zwischen den Kühlsystemen der Mehrzahl von Backen. Jedes der Mehrzahl der internen Backenverbindungsrohren ist mit jedem entsprechenden Backen der Mehrzahl von Backen durch mindestens einen O-Ring verbunden.
Jedes der Mehrzahl der internen Backenverbindungsrohre kann aus im Wesentlichen rostfreiem Stahl bestehen. Die Mehrzahl der internen Backenverbindungsrohre ermöglicht es jedem einzelnen Backen, sich unabhängig von den anderen zu bewegen. Jedes der Mehrzahl der Ultraschallhörner kann einen Konverter und eine Sonotrode aufweisen. Die Sonotrode kann eine Mehrzahl von Polstern bzw. Kissen aufweisen, die davon hervorstehen und auf der Sonotrode so angeordnet sind, dass sie Interferenzen beim Ultraschallschweißen verhindern. Jedes der Mehrzahl der Polster hat eine vorbestimmte Länge, die im Wesentlichen der Minimaldicke des Objekts entspricht, das dem Ultraschallversiegeln unterworfen wird.
Die vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft und mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Ultraschallschweißbackens wie in unserem Europäischen Patent Nr. 1.009.618 beschrieben;
2 ein Backensystem, in dem ein erfindungsgemäßer Backen verwendet werden kann;
3 einen teilweisen Querschnitt des Backensystems von 2;
4 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Backens;
5A eine perspektivische Ansicht eines Backens gemäß dem Stand der Technik;
5B eine Seitenansicht des Backens von 5A
6A eine perspektivische Ansicht des Backens von 4;
6B eine Seitenansicht des Backens von 4;
7A eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Backens mit einer Gummimembran in einer alternativen Ausrichtung;
7B eine Seitenansicht des Backens von 7A;
8 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einigen zusätzlichen Merkmalen;
9 eine perspektivische Ansicht eines Ultraschallschweißbackens im Eingriff mit einer Sonotrode eines Ultraschallhorns;
10 eine perspektivische Ansicht eines Ultraschallschweißbackens im Eingriff mit einem Karton;
11 eine perspektivische Ansicht eines Ultraschallschweißbackens im Eingriff mit einem verschweißten Karton;
12 eine Draufsicht auf einen Ultraschall-Kartonversiegler; und
13–15 einen Versiegelvorgang an einem Giebeldachverschluss.
Der erfindungsgemäße Ultraschall-Schweißbacken kann in einer Form-, Füll- und Versiegelmaschine für Kartons, wie im US Patent Nr. 5,488,812 beschrieben, verwendet werden. Diese Maschine ist nur ein Beispiel für die mögliche Anwendung des erfindungsgemäßen Ultraschall-Schweißbacken. Der Fachmann kann sich viele mögliche Anwendungen des Ultraschall-Schweißbacken vorstellen, die nicht vom Umfang der vorliegenden Erfindung abweichen.
Wie in 1 dargestellt, hat der Backen 20 ein vorderes Ende 21 und ein hinteres Ende 22. Der Backen 20 hat einen Backenkörper 23, einen Vibrationsteil 24, einen Versiegelungs teil 26 und Mittel zum akustischen Isolieren des Backenkörpers, was in dieser Ausführungsform des Backens 20 ein Luftraum 28 ist. Der Luftraum 28 wird vom Vibrationsteil 24 am vorderen Ende, dem Backenkörper 23 am hinteren Ende und einen Paar von parllelen Brücken 30 und 32 an den Seiten begrenzt. Die parallelen Brücken 30 und 32 verbinden auch den Vibrationsteil 24 mit dem Backenkörper 23. Wie aus 1 ersichtlich ist, befinden sich die parallelen Brücken außerhalb der vorbestimmten Länge des Versiegelungsteils 26. Diese Konstruktion gibt dem Backen 20 die nötige Stabilität für einen effektiven Versiegelungsvorgang (nicht dargestellt). Der Luftraum 28 ermöglicht eine Isolierung des Backenkörpers 23 vom Vibrationsteil 24 während der Aktivierung des Ultraschallhorns, das während des Versiegelvorgangs Energie zum Backen überträgt. Der Luftraum 28 ermöglicht es, dass die Energie im Vibrationsteil 24 verbleibt und nicht über den Backenkörper 23 an den Rahmen (nicht dargestellt) übertragen wird. Die Mittel zur akustischen Isolation werden im Nachfolgenden noch näher beschrieben.
Wie in 2 dargestellt, beinhaltet das Backensystem 36 eine Backenstange 38, eine Reihe von Backen 20A–F und eine Mehrzahl von internen Backenverbindungsrohren 39. Die sechs Backen 20A–F ermöglichen das gleichzeitige Versiegeln von sechs Kartons mit einem reziproken Hub der angeordneten Backen 20A–F. Die vorliegende Ausführungsform zeigt ein Backensystem mit Backenstangen, dem Fachmann ist jedoch klar, dass mehr oder weniger Backen im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Die Backen 20A–F sind entfernbar auf der Backenstange 38 angebracht, um ein regelmäßiges Austauschen der Backen 20A–F zu erleichtern.
Die Backenstange 38 ist so angeordnet, dass sie sich zwischen einer offenen Position, in der die Kartons passieren können, und einer geschlossenen Position, in der sie gegen eine Seite des Verschlusses in der Verschließposition drückt, bewegt werden kann. Auf diese Art und Weise werden eine Mehrzahl von Kartons gleichzeitig versiegelt.
Ein Teil der Ultraschallenergie wird von Transducern oder Versiegelhörnern während des Betriebs der Ultraschall-Verschweißvorichtung auf die Backen 20A–F übertragen. Die Ultraschallenergie wird von den Backen 20A–F in Form von Wärme verbreitet bzw. dissipiert. Ein Kühlsystem kann verwendet werden, um ein Überhitzen der Backen 20A–F während des Betriebs der Ultraschall-Schweißvorrichtung zu verhindern. Das erfindungsgemäße Kühlsystem wird am besten in 3 dargestellt. Wie in 3 dargestellt, besteht das Kühlsystem aus einem internen Verbindungsweg 40 durch jeden der Backen 20A–F und insbesondere durch den Vibrationsteil 24 der Backen 20A–F. Jeder der internen Verbindungswege 40 hat einen vorbestimmten Durchmesser und erstreckt sich von einer Seite des Backen 20 zum gegenüberliegenden Ende. Der interne Verbindungsweg 40 befindet sich in einer Position, in der der Betrieb des Backen 20 minimal beeinträchtigt wird, während seine Kühlung maximiert wird. Der Fluss von Wärme absenkenden Fluidum durch den internen Verbindungsweg 40 ist ebenfalls ein Faktor für die Kühlfähigkeit des internen Verbindungswegs 40, da die Fließgeschwindigkeit bestimmt, wie schnell die absorbierte Wärme von den Backen 20A–F entfernt wird. Eine geringere Fließgeschwindigkeit bedingt eine größere Oberfläche und umgekehrt. Der interne Verbindungsweg 40 sollte also eine ausreichende Oberfläche haben, um Wärme vom Backen 20 basierend auf einer festgelegten Fließgeschwindigkeit des Wärme absenkenden Fluidums in einem vorbestimmten Zeitraum zu absorbieren.
Der interne Verbindungsweg 40 hat ebenfalls keinerlei Kontakt mit den Mitteln zum akustischen Isolieren des Backens, unabhängig davon, ob das akustische Isoliermittel ein Luftraum 28, wie in 1 dargestellt, oder eine Gummimembran, wie in 4 und 5 dargestellt, ist. Die Notwendigkeit, Kontakt mit dem Mitteln zu akustischen Isolieren zu vermeiden, ist bei der Größe und der Anordnung des internen Verbindungswegs 40 in jedem Backen 20A–F wichtig. Um die Kühlfähigkeiten zu optimieren, muss der interne Verbindungsweg 40 eine ausreichend große Oberfläche haben, seine Größe darf jedoch die Isoliermittel nicht behindern. Die Position bzw. Anordnung der internen Verbindungswege 40 darf die Isoliermittel ebenfalls nicht behindern, dies muss jedoch mit der Fähigkeit, die Wärme effektiv vom Backen 20 abzutransportieren, vereinbart werden.
Jeder interne Verbindungsweg 40 von jedem der Backen 20A–F ist miteinander durch ein internes Backenverbindungsrohr 39 verbunden. Jedes der internen Backenverbindungsrohre 39 hat einen Durchmesser, der es dem Rohr erlaubt, in jedem der internen Verbindungswege 40 eingeführt zu werden und dennoch einen effektiven Fluss von Fluidum durch das Rohr 39 zu ermöglichen. Wenn es in den internen Verbindungsweg 40 eingeführt ist, wird das interne Verbindungsrohr 39 mit jedem der Backen 20A–F mit wenigstens einem vorzugsweise zwei O-Ringen 42 verbunden bzw. versiegelt. Die O-Ringe 42 ermöglichen es jedem einzelnen Backen 20, sich im Verhältnis zu jedem anderen Backen 20 zu bewegen, ohne dass das interne Verbindungsrohr 39 zwischen zwei benachbarten Backen 20A–F gelöst wird. Die internen Backenverbindungsrohre 39 haben eine vorbestimmte Länge, die ausreichend ist, um die Verbindung zwischen zwei benachbarten Backen 20A–F aufrecht zu erhalten, wenn ein Backen 20 aus der Ausrichtung mit seinem benachbarten Backen 20 bewegt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die internen Backenverbindungsrohre 39 aus Kunststoffmaterial. Es können jedoch auch andere Materialien, wie z.B. rostfreier Stahl, bei der Umsetzung der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Dem Fachmann ist klar, dass neben rostfreiem Stahl auch andere Materialien denkbar sind, ohne dass dies vom Umfang der vorliegenden Erfindung abweicht. Die internen Backenverbindungsrohre 39, die mit jedem der beiden Endbacken 20A und F an einem Ende der internen Backenverbindungsrohre 39 verbunden sind, sind an gegenüberliegenden Enden mit einem Einlassrohr 44 und einem Auslassrohr 46, wie in 2 dargestellt, verbunden. Auf diese Art und Weise sind alle internen Verbindungswege 40, alle internen Backenverbindungsrohre 39, das Einlassrohr 44 und das Auslassrohr 46 über das Fluidum in Verbindung.
Das Einlassrohr 44 ist mit einer Quelle 48 (nicht dargestellt) für das Wärme absenkende Fluidum in Verbindung, und das Auslassrohr 46 ist mit einem Abfluss-System 50 (nicht dargestellt) für Altfludium verbunden. Als Wärme absenkendes Fluidum wird ein Fluidum definiert, das im Wesentlichen die Temperatur durch Wärmetransfer zwischen einem Objekt und dem Fluidum aufrecht erhält. In der vorliegenden Erfindung wird das Wärme absenkende Fluidum verwendet, um Wärme von einem Objekt, dem Backen 20, zum Fluidum zu übertragen. Ein bevorzugtes Wärme absenkendes Fluidum ist Wasser, andere Fluida können jedoch bei der Umsetzung der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Das Einlassrohr 44 kann direkt mit einer bekannten Wasserquelle verbunden sein oder mit einer Vorrichtung, die das Wasser zuerst kühlt. Das Wasser fließt durch das Einlassrohr 44 zum ersten internen Backenverbindungsrohr 39, in den internen Verbindungsweg 40 des ersten Backen 20A und dann auf ähnliche Art und Weise durch den Rest der Backen 20B–F. Wenn das Wasser durch den letzten Backen 20F geflossen ist, fließt es durch das Auslassrohr 46 in das Abfluss-System 50 für Altfluidum, wie z.B. einen Abfluss, der mit der Kanalisation verbunden ist. Alternativ kann das Wasser vom Auslassrohr 46 in ein Zirkulationssystem fließen, um das Wasser wieder zum Einlassrohr 44 zu bringen. Die Verwendung von Kunststoff oder rostfreiem Stahl für die internen Backenverbindungsrohre 39 verringert das Risiko, dass die Rohre 39 durch das Wasser oxidieren.
Im Einsatz stellt das Kühlsystem ein Wärme absenkendes Fluidum, wie z.B. gekühltes Wasser, an den Backen 20A–F so bereit, dass eine Übertragung von Wärme von den Backen 20A–F zum Fluidum ermöglicht wird. Da das Fluidum vom Einlassrohr 44 durch die Backen 20A–F zum Auslassrohr 46 fließt, senkt die Wärmeübertragung zum Fluidum die Temperatur an den Backen 20A–F ab, wodurch schädliche Auswirkungen durch Überhitzen der Backen 20A–F vermieden werden können.
Bei einem Ultraschall-Schweißvorgang ist der Backen 20 Teil des Vibrationssystems und muss akustisch vom Rest der Maschine isoliert werden. Der Backen 20 muss akustisch isoliert werden, um einen möglichen Schaden an der Maschine zu vermeiden und um einen Verlust an Ultraschallenergie an den Maschinenrahmen zu verhindern. Derzeit wird diese akustische Isolation durch eine Gummischicht zwischen dem Vibrationsteil 24 und dem Backenkörper 23 erzielt. Die Gummischicht macht das vordere Ende 21 des Backens 20 (den Versiegelungsteil 26 und den Vibrationsteil 24) flexibel, was die Druckverteilung des Versiegelungsteils 26 beeinträchtigt. Wenn der Gummi hart und steif ist, ist der Isoliereffekt gering, wodurch eine größere Menge an Ultraschallenergie an den Maschinenrahmen übertragen wird. Wenn keine Isolierung vorhanden ist, ist die Menge an übertragener Ultraschallenergie extrem groß.
In der vorliegenden Erfindung haben die Mittel zum akustischen Isolieren eines Backen 20 mehrere Ausführungsformen. Eine Ausführungsform ist eine Luftraum-Lücke 28 zwischen dem Vibrationsteil 24 und dem Backenkörper 23 wie in 1 dargestellt. Der Lauftraum 28 verringert die Menge an Ultraschallenergie, die an den Backenkörper 23 übertragen wird. Eine andere Ausführungsform wird in 4 dargestellt, in der eine speziell ausgebildete Gummimembran 52 so geformt ist, dass sie die Verbindungskraft, die auf die Gummimembran 52 ausgeübt wird, relativ zu der Wiederholungskraft, die während des Betriebs der Ultraschallvorrichtung ausgeübt wird, erhöht. Wie in 4 dargestellt, hat die Gummimembran 52 einen ersten Abschnitt 54, der parallel zum Versiegelungsteil 26 ist, einen zweiten gewinkelten Abschnitt 56, einen dritten Abschnitt 58, der parallel zum Versiegelungsteil 26 ist, einen vierten, gewinkelten Abschnitt 60 und einen fünften Abschnitt 62, der parallel zum Versiegelungsteil 26 ist. Diese spezielle Ausbildung der Gummimembran 52 verhindert durch Erhöhung der Verbindungskraft im Verhältnis zur Wiederholungskraft, dass sich die Gummimembran 52 vom Backen 20 löst.
Zum Vergleich wird in 5A und 5B ein bekannter Backen dargestellt, der eine Gummimembran 52A verwendet, die eine im wesentlichen geradlinige Ausbildung hat. Die bekannte Gummimembran 52A neigt aufgrund der Wiederholungskraft und mangelnder Verbindungskraft dazu, sich zu lösen. In 6A und 6B wird der Backen 20 mit der Gummimembran 52 aus 4 dargestellt. Eine alternative Ausführungsform wird in 7A und 7B dargestellt, in denen die Gummimembran 52 anders ausgebildet ist, als die in 6A und 6B dargestellte.
Derzeit haben die meisten Backen ein Versiegelungsmuster, das eine nicht trennbare Komponente des Backens ist. Der erfindungsgemäße Backen 20 hat zusätzlich zu den oben genannten Merkmalen eine neue Konstruktion, die den Versiegelungsteil vom Vibrationsteil 24 und dem Rest des Backens 20 separiert. Wie in 8 dargestellt, kann der erfindungsgemäße Backen 20 in folgende Komponenten zerlegt werden: den Backenkörper 23; den Vibrationsteil 24; das Kühlsystem und den Versiegelungsteil 26. Der Mehrkomponenten-Backen 20 ermöglicht ein einfacheres Austauschen oder Ersetzen von Komponenten im Vergleich zu einem bekannten Backen, der als gesamte Einheit ersetzt werden muss. Der Versiegelungsteil 26 kann ohne Einfluss auf die Isolation zwischen dem Vibrationsteil 24 und dem Backenkörper 23 gewechselt werden.
Ein Satz von Schrauben 70 verbindet den Versiegelungsteil 26 mit dem Vibrationsteil 24 und ermöglicht ein einfaches Auswechseln der Versiegelungsteile 26. Die Schrauben 70 kommen nicht in Kontakt mit der Gummimembran 52 oder dem internen Verbindungsweg 40. Eine Revulkanisierung der Gummimembran 52 wird ebenfalls vermieden, wenn ein neuer Versiegelungsteil 26 benötigt wird, da der Vibrationsteil 24 und der Backenkörper 23, die die Gummimembran 52 umgeben, während des Auswechselns des Vibrationsteils 26 nicht in ihrer Position verändert werden.
Es ist offensichtlich, dass ein Fehlen eines zu versiegelnden Objekts, wie eines Verpackungsmaterials, während des Ultaschallschweißens zu einem Schaden am Backen 20 und der Sontotrode 72 des Ultraschallhorns 74 führt. In manchen Versiegelungsanwendungen ist es nötig, einen vorbestimmten Abstand zwischen der Sonotrode 72 und dem Backen 20 während des Ultra schallschweißens aufrecht zu halten. Ein zu hoher Druck auf einem Verpackungsmaterial, das gerade einem Ultraschallschweißen unterzogen wird, führt dazu, dass geschmolzenes Verpackungsmaterial aus dem Versiegelabschnitt extrudiert wird; dies ist ein Beispiel für eine Schweißanwendung, bei der ein minimaler Abstand zwischen der Sonotrode 72 und dem Backen 20 eingehalten werden muss. Um einen Schaden am Backen 20 und der Sonotrode 72 zu vermeiden und einen vorbestimmten Abstand zwischen dem Backen 20 und der Sonotrode 72 einzuhalten, beinhaltet die vorliegende Erfindung eine Mehrzahl von Stützpolstern bzw. -kissen 76 zum Herstellen einer Lücke zwischen der Sonotrode 72 und dem Backen 20.
Wie in 9 dargestellt, hat der Backen 20 eine Mehrzahl von Stützpolstern 76, die in vorbestimmten Positionen angeordnet sind, um ein zu starkes Schweißen des Kartonstegs und Schaden an der Schweißausrüstung zu vermeiden. Die Mehrzahl der Stützpolster 76 befindet sich auf dem Backen 20. Die Polster 76 bestehen aus einem wärmeresistenten Kunststoffmaterial, das eine geringe Kriechdehung und eine ausreichende Beständigkeit aufweist, um dem wiederholten Schweißvorgang stand zu halten. Die Länge der Polster 76 wird von den Schweißanforderungen bestimmt. Wie in 10 und 11 dargestellt, wird die Länge der Polster 76 von der Dicke des durch das Ultraschallhorn und Backen 20 zu versiegelnden Verschlusses bestimmt. Wenn die Länge nicht ausreichend ist, extrudiert das Verschlussmaterial aus dem Verschweißabschnitt. Wenn die Länge größer ist als nötig, wird der Verschluss im Versiegelvorgang nicht richtig versiegelt. Ein bevorzugtes Polster 76 besteht aus einem Polyetheretherketon ("PEEK"). Das PEEK-Material kann starken Kräften ab 3000 N, die auf die Polster 76 ausgeübt werden, widerstehen.
Industrielle Anwendung
Eine Ultraschall-Kartonveriegelvorrichtung der Patentanmeldung von Schott et al wird in 12 dargestellt. Wie bereits erwähnt, kann der neue Backen gemäß der vorliegenden Erfindung als Komponente in einer Kartonversiegelvorrichtung in einer Kartonfüll- und versiegelmaschine, wie bei Stark et al beschrieben, verwendet werden. Wie in 12 dargestellt, hat die Kartonversiegelvorrichtung eine Anzahl von Komponenten, um die Versiegeloperation bzw. Verschweißoperation an einem Verschluss auszuführen. Interessant sind die Backen 20A–H, die Backenstange 38 und die Ultraschallhörner.
13 bis 15 zeigen eine Versiegel- bzw. Schweißoperation, die an einem Giebeldachverschluss ausgeführt wird. In 13 wird ein Backen 20 gegenüber von einem Ultraschallhorn 74 angeordnet. In 14 wird ein Steg 80 eines Giebeldachverschlusses zwischen dem Backen 20 und dem Ultraschallhorn 74 angeordnet, um mit Ultraschallenergie verschweißt zu werden. In 15 kommt der Backen 20 mit dem Steg 80 in Eingriff und zwingt ihn gegen das Ultraschallhorn 74, um den Verschluss mit der vom Ultraschallhorn 74 erzeugten Ultraschallenergie zusammen zu schweißen. Die Mittel zur akustischen Isolation vermindern die Menge an Ultraschallenergie, die vom Vibrationsteil 24 auf den Backenkörper 23 übertragen wird. Dies vermindert auch die Menge an Ultraschallenergie, die auf die anderen Komponenten der Versiegelvorrichtung und der Maschine übertragen wird.

Claims

Backen zur Verwendung in Verbindung mit einem Ultraschallform- bzw. Schweißbacken, bei dem ein vorderes Ende (21) des Backens das Ultraschallhorn abschließt und der Backen folgendes aufweist: Einen Backenkörper (23), einen Vibrationsteil (24), der vor dem Backenkörper angeordnet ist, einen Versiegelungsteil (26), der mit dem Vibrationsteil verbunden ist, Isolationsteile, die den Backenkörper akustisch isolieren und der zwischen dem Backenkörper und dem Vibrationsteil angeordnet ist, und ein im Backen angeordnetes Kühlsystem, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierteile eine Membran (52) aufweisen, die aus Gummi bzw. Kautschuk besteht und so gestaltet ist, dass sie einen ersten geradlinigen Teil (54) parallel zum Versiegelungsteil (26), einen ersten Diagonalteil (56), der mit dem ersten geradlinigen Teil verbunden ist, einen zweiten geradlinigen Teil (58) parallel zum ersten geradlinigen Teil, gegenüber diesem zurückversetzt, und mit dem ersten Diagonalteil (56) an einem zur Verbindungsstelle des ersten Diagonalteils mit dem ersten geradlinigen Teil entgegengesetzten Ende mit dem ersten Diagonalteil verbunden ist, einen zweiten Diagonalteil (60),der mit dem zweiten geradlinigen Teil (58) an einem Endeverbunden ist, das Verbindungsstelle des ersten Diagonalteils mit dem zweiten geradlinigen Teil entgegen gesetzt gerichtet ist, und einem dritten geradlinigen Teil (62) aufweist, der mit dem zweiten Diagonalteil (60) verbunden ist und sich parallel zum Versiegelungsteil (26) und in derselben Ebene wie der erste geradlinige Teil (54) erstreckt und die Verbindungskraft relativ zu der Wiederholungs- bzw. Repetetivkraft erhöht.
Backen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Versiegelungsteil (26) einen Stab bzw. eine Stange mit einer oberen Oberfläche und einer unteren Oberfläche aufweist, von denen die obere Oberfläche ein Versiegelungsmuster enthält und die untere Oberfläche dem Vibrationsteil (24) zugewandt ist und der mit dem Vibrationsteil verbundene Versiegelungsteil ohne Kontakt mit dem akustischen Isolationsteil bleibt.
Backen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem einen inneren Durchgang im Vibrationsteil (24) für den Durchstrom von Wärme absenkendem Fluidum dorthindurch aufweist.
Backen nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Kissen bzw. Polstern (76) vom Versiegelungsteil (26) vorsteht und an diesem so angeordnet ist, dass Interferenzen bzw. Einwirkungen beim Ultraschallversiegeln vermeidbar sind, und dass jedes Polster eine vorbe stimmte Länge aufweist, die im Wesentlichen der Minimaldicke des Objekts entspricht, die dem Ultranschallversiegeln unterworfen wird.
Backen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, den Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Versiegelungsteil (26) mit einem anderen Versiegelungsteil austauschbar ist.
Backensystem (36) zur Anwendung in Verbindung mit einer Mehrzahl von Ultraschallhörnern bzw. -köpfen, bei dem eine Backenstange (38) mit einem Backenantrieb verbunden ist, der Bewegung auf den Backenstab überträgt, und bei dem eine Mehrzahl von Backen (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit dem Backenstab derart verbunden ist, dass jeder zur Durchführung einzelner Versiegelungsoperationen in Verbindung mit einem Ultraschallhorn in der Lage ist, und bei dem eine Mehrzahl von internen Backenverbindungsrohren (39) zur Übertragung von Wärme absenkendem Fluidum zwischen den Kühlsystemen der Mehrzahl von Backen (20) dient.
Backensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedes internes Backenverbindungsrohr (39) an jedem korrespondierenden Backen der Mehrzahl von Backen durch mindestens einen O-Ring verbunden bzw. angesiegelt ist.