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Einrichtung zum Verschweißen von Folien aus thermoplastischem Material
im. hochfrequenten elektrischen Feld Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung
zürn Verbinden von Folien aus thermoplastischem Material mittels Wärme und Druck,
bei der die Wärme als dielektrische Wärme erzeugt wird, indem das zu verschweißende
Material durch ein elektrisches Wechselstromfeld von hoher Frequenz hindurchgeführt
wird. Es ist bekannt, daß plastische Massen nach solchen Verfahren miteinander verbunden
oder verschweißt werden können, wie dies zuweilen genannt wird. Derartige Materialien,
die einen weiten Bereich von Erzeugnissen decken, die allgemein unter Warenzeichen
bekannt sind, werden im nachstehenden der Einfachheit halber als verbindungsfähige
Materialien bezeichnet. Ihre wichtige gemeinsame Eigenschaft besteht, soweit es
die vorliegende Erfindung betrifft, darin, daß sie erweichen, wenn sie einem geeigneten
elektrischen Hochfrequenzfeld ausgesetzt werden, so daß ein angewendeter Druck sie
veranlaßt, sich mit benachbarten Materialien der gleichen oder anderer Art zu vereinigen,
wie die besondere Anwendung es erfordern kann, und daß sie bei Wiedererhärten eine
dauernde Verbindung oder Schweißung bilden. Der Ausdruck elektrisches Feld, wie
er in der Beschreibung verwendet wird, soll dasjenige Feld bezeichnen, das
zwischen
leitenden Elektroden besteht, denen eine Wechselspannung hoher Frequenz aufgedrückt
wird.
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Der Hauptzweck der Erfindung besteht in der Schaffung einer verbesserten
Einrichtung für diesen Zweck, die geeignet ist, eine zufriedenstellende, im wesentlichen
gleichförmige und vorzugsweise fortlaufende Verbindung, z. B. zwischen Schichten
aus thermoplastischem Blattmaterial, unabhängig von insbesondere in der Dicke auftretenden
Schwankungen bei verbindungsfähigen im Handel erhältlichen Materialien oder von
infolge von Nahtkreuzzngen oder anderen Ursachen auftretenden Dickenänderungen zu
gewährleisten.
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Gemäß der Erfindung wird bei einer Einrichtung zum Verschweißen von
Folien aus thermoplastischem Material, die durch ein hochfrequentes elektrisches
Feld hindurchgeführt werden und eine sich ändernde Gesamtdicke haben, eine Abfühlvorrichtung
zum Abfühlen der Dickenänderungen der Materialien vor dem Bereich maximaler Intensität
dieses Feldes angeordnet, welche Einrichtungen zum Verändern der Vorschubgeschwindigkeit
der zu verschweißenden Folien und der Frequenz des genannten Feldes entsprechend
den festgestellten Dickenänderungen steuert.
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Nachstehend ist an Hand der schematischen Zeichnung beispielsweise
eine Ausführungsform der Erfindung näher erläutert.
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Gemäß der Zeichnung kann das verbindungsfähige Material aus zwei übereinandergelegten
Blättern i bestehen, die zwischen Elektroden, wie z. B. Walzen 2 und 3, durchgeführt
werden, von denen eine, wie z. B. die Walze 3, oder beide durch einen Vorschubmotor
4. mit einstellbarer Geschwindigkeit angetrieben werden. Die Walzen werden durch
beliebige geeignete, nicht dargestellte Mittel gegeneinander gedrängt. Der Abstand
der Walzen, der durch die Dicke des verbindungsfähigen Materials zwischen ihnen
bestimmt ist, stellt den Spalt dar, in dem ein hochfrequentes elektrisches Feld
errichtet ist, um das Material zu erhitzen.
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Für die vorliegenden Zwecke können die Wälzen 2 und 3 aus geeignetem
leitendem Material bestehen, wobei eine von ihnen, z. B. Walze 3, bei 5 geerdet
ist und die Walze 2 in geeigneter Weise, z. B. durch ein koaxiales Kabel, mit einer
der Ausgangsklemmen 6 einer Hochfrequenzstromquelle verbunden ist. Die andere Ausgangsklemme
7 ist auch geerdet. Zum Zweck der Veranschaulichung ist die Hochfrequenzstromquelle
als ein Schwingungserzeuger mit Elektronenentladungsgefäßen in bekannter Schaltung
dargestellt.
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Der dargestellte Stromkreis wird durch zwei Schalter überwacht, nämlich
einen Hauptschalter 8, der die Stromzufuhr von einer Einphasenwechselstromquelle
g schaltet, und einen Arbeitsschalter io, der von der Bedienungsperson von Zeit
zu Zeit betätigt wird, um den Vorschubmotor 4. anzulassen oder anzuhalten und gleichzeitig
den Schwingungserzeuger einzuschalten. Der Arbeitsschalter arbeitet über Relais
ii, um die Schalter 12, 13 und 14 zu steuern.
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Durch Schließen des Arbeitsschalters io wird über Relais ii der Steuerschalter
12 betätigt, welcher den Vorschubmotor 4. an die Stromquelle g über eine Wicklung
37 einer Motorgeschwindigkeitsregelungs- !, einrichtung anschließt, deren Wirkungsweise
später im einzelnen beschrieben werden wird.
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Der Schwingungserzeugerregelkreis ist von üblicher Ausführung und
arbeitet wie folgt: Wenn der Hauptschalter 8 geschlossen wird, wird der Transfoimator
115 mit Strom versorgt, wodurch die Heizfäden der Gleichrichterröhren 16 und 17
erhitzt werden. Auch der Transformator 18 wird unter Strom gesetzt, wodurch die
Heizfäden der Schwingungserzeugerröhren ig und iga erhitzt werden. Ein Schließen
des Arbeitsschalters io bewirkt über Relais ii und Schalter 13 und 14., daß der
Transformator 2o durch den Regeltransformator 21 unter Strom gesetzt wird; dadurch
werden die Gleichrichterröhren 16 und 17, welche den Schwingungserzeugerröhren ig
und 1911 Gleichstrom zuführen, erregt.
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Ein üblicher Filterkreis, der eine Glättungsdrosselspule 112 und Kondensatoren
23, 24 umfaßt, sieht Mittel zum- Glätten der Gleichspannung vor, die durch den Gleichrichter
den Anoden der Schwingungserzeugerröhren ig und iga zugeführt wird. Diese Gleichspannung
erscheint an den Enden eines Ableitwiderstands 25, und die positive Seite ist über
eine Hochfrequenzdrosselspule 27 an den Mittelpunkt der Anodenspeisespule 26 gelegt.
Die negative Seite der Gleichspannung wird -an den :Mittelpunkt der Sekundärseite
des Heizfadentransformators 18 gelegt. Ein Gitterableitw;derstand 28 liefert die
Vorspannung für die Gitter der Röhren ig und iga in bekannter Weise.
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Die Schwingungserzeugerröhren ig und 1911 geben dann der Speisespule
26 Hochfrequenzenergie, die in die Sekundärspule 2g induziert und von dort zu den
Klemmen 6 und 7 übertragen wird. Diese Hochfrequenzenergie wird von den Klemmen
6 und 7 zu den Walzen oder Rädern 2 und 3 mittels des koaxialen Kabels geführt,
um eine unnötige Streuung und einen Verlust zwischen dem Schwingungserzeuger und
dem Feldspalt in bekannter Weise zu vermeiden.
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Als Ergebnis des Schließens des Schalters io liefert daher der Schwingungserzeuger
hochfrequenten Wechselstrom an die Walzen oder Räder 2 und 3, der Motor 4. läuft,
und verbindungsfähiges Material wird durch die Maschinen zwischen den Walzen 2 und
3 hindurchgeführt. Wie ersichtlich, wird die Ausgangsleistung des Schwingungserzeugers
dadurch geregelt, daß seine Anodenspannung mittels des Regeltransformators 21 geändert
wird, der von Hand zuvor eingestellt werden kann, um eine dem besonderen zu verbindenden
Material, seiner Dicke und seiner linearen Zufuhr- bzw. Vorschubgeschwindigkeit
angepaßte Leistung zuzuführen.
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Eine so eingerichtete Vorrichtung hat sich in vielen Fällen als nicht
zufriedenstellend herausgestellt, insbesondere wenn eine Verschweißung des Materials
mit hoher Geschwindigkeit versucht wird und insbesondere auch hinsichtlich der Gleichförmigkeit
der Schweißung über eine gegebene Materiallänge. Es wurde gefunden, daß dieser Mangel
an Gleichförmigkeit größtenteils den Dickenänderungen des verbindungsfähigen Materials
zuzuschreiben ist. Diese Änderungen können gering und, oberflächlich gesehen, unbedeutend
sein, d. h. die Dickenänderungen können in der Größenordnung von 0,0125 mm
liegen. Es wurde weiter gefunden,
daß eine sehr gute Schweißung
durch Veränderung der Motorgeschwindigkeit erhalten werden kann, und daher wird
erfindungsgemäß die Vorschubgeschwindigkeit in Abhängigkeit von derartigen Dickenänderungen
des Materials; und zwar umgekehrt zur Dickenänderung geändeit, d. h. j e größer
die Dicke, um so geringer die Motorgeschwindigkeit, und je geringer die Dicke, um
so höher die Motorgeschwindigkeit. Eine bevorzugte und sehr wirksame Einrichtung,
um die Geschwindigkeit des Vorschubmotors zu regeln, wird im nachstehenden beschrieben.
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In dem Stromkreis, der durch den Hauptschalter 8 gesteuert wird, sind
Transformatoren 30, 31 und 32 vorgesehen, durch welche Röhren 33, 34 und 35 gespeist
werden. Die Röhren 33 und 34 stellen einen Vollweggleichrichter dar, dessen Ausgang
mit der Gleichstromwicklung 36 einer Motorgeschwindigkeitsregelvorrichtung (gleichstromvormagnetisierteDrosselspule)
verbunden ist, die eine Wechselstromwicklung 37 hat, welche in den Stromkreis des
Vorschubmotors eingeschaltet ist. Die Geschwindigkeit des Vorschubmotors, die im
wesentlichen der angelegten Spannung proportional ist, ändert sich umgekehrt wie
die Impedanz der Drosselspule, die sich wiederum umgekehrt wie der Stromfluß in
der Gleichstromspule ändert.
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Die Röhre 35 ist ein Halbwellengleichrichter, der durch einen Transformator
38 mit den Gittern der Röhren 33 und 34 induktiv gekoppelt ist. Der Anodenkreis
der Röhre 35 enthält zwei in Reihe geschaltete Spulen 39 und 40, die einander entgegengesetzte
Induktionsfelder haben und so angeordnet sind, daß sie sich in bezug auf einander
bewegen können, um einen veränderlichen Widerstandsspalt zu schaffen.
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Die besondere Art und Weise der Anordnung und der gegenseitigen Bewegung
der Spulen 39 und 4o bildet keinen Teil der vorliegenden Erfindung. Es genügt für
die vorliegenden Fälle anzugeben, daß eine der Spulen, z. B. die untere Spule 4o,
feststehend sein kann und die obere Spule auf und nieder bewegt wird, wenn die Dicke
des verbindungsfähigen Materials sich vergrößert oder verringert. Es können beliebige
geeignete Mittel zum Abfühlen und Vervielfachen der Dickenänderung des Materials,
wenn es zwischen den Walzen 2 und 3 hindurchgeführt wird, und zum Einstellen der
dementsprechenden Lage der Spule 39 benutzt werden, wodurch der durch die Spulen
39, 40 gebildete Widerstandsspalt verändert wird. Eine solche Veränderung des Widerstandsspaltes
-führt in den Anodenkreis der Röhre 35 eine veränderliche Impedanz ein, wodurch
sich eine Veränderung der Ausgangsspannung an dem Transformator 38 ergibt. Als Ergebnis
ändert sich die den Gittern der Röhren 33 und 34 aufgedrückte Spannung, so daß mehr
oder weniger Anodenstrom und daher mehr oder weniger Strom in die Gleichstromspule
36 der Motorgeschwindigkeitsregelvorrichtung fließt. Ein Kondensator 4= ist parallel
zu der Spule 36 geschaltet, um irgendwelche Wechselstromspannungsspitzen aufzunehmen,
die von der Spule 37 und dem mit ihr verbundenen Stromkreis induziert sein können.
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Um die an den Transformator 38 angelegte Eingangsspannung im voraus
einzustellen, wird ein in Reihe geschalteter einstellbarer Widerstand 48 verwendet
und von Hand im voraus eingestellt, um bei einer gewünschten Grundgeschwindigkeit
mit einem Material einer gegebenen Grunddicke eine genügende Bindung zu erzielen.
Um diese Grundgeschwindigkeit herum schwankt die tatsächliche Geschwindigkeit, in
Abhängigkeit von den Stellungen der Spule 39 und 40, wie oben beschrieben. Der Widerstand
49 begrenzt die Gitterströme für die Gleichrichterröhren 33 und 34.
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Mittels des Vorstehenden wird die Motorgeschwindigkeit und damit die
Vorschubgeschwindigkeit des zu verschweißenden Materials durch den Hochfrequenzfeldspalt
abhängig von der Dicke des Materials genau geregelt. Die Regelungen bewirken eine
Veränderung der Geschwindigkeit des Vorschubmotors, und zwar umgekehrt, wie die
Materialdicke sich ändert; zum größten .Teil werden die bisher aufgetretenen Schwierigkeiten
bei der Ausführung einer dauernd gleichförmigen und genügenden Bindung bei hoher
Geschwindigkeit und ohne unzulässigen Kraftverlust beseitigt.
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Es wurde jedoch weiter gefunden, daß bei den erwähnten Maßnahmen noch
bessere Ergebnisse erzielt werden können, wenn Vorsorge dafür getroffen wird, auch
die Frequenz des Schwingungserzeugers entsprechend den Änderungen in der Dicke des
Materials zu ändern, um eine Konstanz der Leistung an dem Hochfrequenzfeldspalt
zu gewährleisten. In diesem Zusammenhang ist ersichtlich, daß, um den höchsten Grad
an Gesamtwirkungsgrad zu erhalten; die Frequenz des Schwingungserzeugers geändert
werden muß, wenn die Materialänderungen entsprechende Änderungen in der Belastungskapazität
und in der Vorschubgeschwindigkeit herbeiführen. Gemäß der Erfindung sind daher
weiterhin Mittel vorgesehen, um eine Frequenzänderung völlig automatisch mit nur
geringen Hinzufügungen zu dem beschriebenen Kreis zu bewirken.
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Bei der dargestellten Einrichtung wird die Regelung der Frequenz des
Schwingungserzeugers durch einen Zweiphasenmotor 42 herbeigeführt, der einen verän-"
derlichen Abstimmkondensator 43 steuert, der parallel zu der Anodenspule 26 des
Schwingungserzeugers liegt. Es ist bekannt, daß die Ausgangsfrequenz dieser Art
von Schwingungserzeugern durch die elektrischen Werte des Speisekreises bestimmt
wird. So kann die Ausgangsfrequenz des Schwingungserzeugers dadurch gesteuert werden,
daß die Einstellung des Kondensators 43 geregelt wird.
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Eine Wicklung des Motors 42 ist durch Leiter 44 über den Hauptschalter
8 mit der Wechselstromleitung 9 verbunden. Dies- ist die Bezugsphase, und sie wird
dauernd erregt, wenn der Hauptschalter 8 geschlossen ist. Die andere Wicklung des
Motors 42 ist durch Leiter 45 parallel zu der Gleichstromwicklung 36 der Motorgeschwindigkeitsregelvorrichtung
geschaltet und ist den Änderungen des Wechselstroms aus dem Vollweggleichrichter
unterworfen, der auf Änderungen in der Dicke des Materials, wie oben in Verbindung
mit der Vorschubregelung auseinandergesetzt ist, anspricht.
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Es wurde gefunden, daß bei einer bestimmten Grundspannung, die von
dem Vollweggleichrichter an den Motor 42 entsprechend einer bestimmten vorausbestimmten
Grunddicke
des zu verbindenden Materials abgegeben wird, der Läufer des Motors stillsteht.
Wenn die von dem genannten Gleichrichter an den Motor 42 abgegebene Gleichspannung
entsprechend einer Verringerung bzw. einer Erhöhung der Dicke des Materials in bezug
auf eine Grunddicke über den Grundspannungswert erhöht oder unter diesen Wert herabgesetzt
wird, läuft der Motor in entgegengesetzten Richtungen um. Es wurde gefunden, daß
innerhalb bestimmter Grenzen die Größe der Lageänderung des Läufers des Motors 42
im wesentlichen proportional der Größe der Spannungsänderung ist. Daher kann durch
geeignete Bemessung der Konstanten des Kreises erreicht werden, daß für eine gegebene
Dickenänderung des verbindungsfähigen Materials die richtige Größe der Gleichstromspannung
an den Motor :12 gelegt wird, um den Abstimmkondensator in eine solche Stellung
zubringen, daß die Frequenz des Schwingungserzeugers der Belastungsimpedanz angepaßt
ist, d. h. die Frequenz des Schwingungserzeugers ist fortlaufend einstellbar, so
daß stets die Resonanzfrequenz der Belastungsimpedanz einschließlich der Übertragungsleitung
ohne Rücksicht auf Änderung in dieser Impedanz im wesentlichen vorhanden ist.
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Wenn daher der Widerstandsspa'_t der Spulen 39, 40 sich entsprechend
der Änderung der Dicke des Materials ändert, ändert der Motor 42 seine Läuferstellung
und damit die Stellung des veränderlichen- Kondensators 4.3, der wiederum die Frequenz
des Schwingungserzeugerausgangs genügend veränderlich einstellt, um eine gleich
gute Verbindung ohne Rücksicht auf Dickenänderungen zu bewirken und so eine gleichförmig
feste Naht zu schaffen.
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Anzeigelampen 46 und .f7 sind vorgesehen, um bei einer beliebigen
gewünschten Stellung anzuzeigen, ob der Schwingungserzeuger an- oder abgeschaltet
ist. Unter den Schaltbedingungen, wie sie in der Zeichnung dargestellt sind, ist
die Lampe :16 abgeschaltet und die Lampe 47 eingeschaltet. Es ist ersichtlich, daß,
wenn das Relais ii durch Betätigung des Arbeitsschalters io angezogen wird, um den
Schwingungserzeuger einzuschalten, die Lampe 4.7 abgeschaltet und die Lampe :16
eingeschaltet wird.
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Aus vorstehendem ergibt sich, daß eine verbesserte Anlage zum Verschweißen
von plastischen :Materialien im hochfrequenten elektrischen Feld dadurch geschaffen
wird, daß automatische Regelmittel zur übereinstimmenden Regelung des Vorschubes
des schweißfähigen Materials und der Frequenz der Schwingungserzeugerausgangsleistung
entsprechend den Dickenänderungen der genannten Materialien angewendet werden.