WO2010139464A1 - Ultraschall-schweisswerkzeug - Google Patents

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WO2010139464A1
WO2010139464A1 PCT/EP2010/003343 EP2010003343W WO2010139464A1 WO 2010139464 A1 WO2010139464 A1 WO 2010139464A1 EP 2010003343 W EP2010003343 W EP 2010003343W WO 2010139464 A1 WO2010139464 A1 WO 2010139464A1
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welding tool
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ultrasonic
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PCT/EP2010/003343
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Ingo Nagel
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Sonotronic Nagel Gmbh
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Schweißwerkzeug zur Herstellung einer dünnen Schweißnaht zur Verbindung mindestens zweier thermoplastischer Materialien (F1, F2), die einen Werkzeugkörper (11; 21) mit einer Arbeitsfläche (12; 22) besitzt, durch die die thermoplastischen Materialien (F1, F2) zur Herstellung der dünnen Schweißnaht (S) beaufschlagbar ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass auf der Arbeitsfläche (12; 22) des Ultraschall-Schweißwerkzeugs (10; 20) eine Anzahl von nebeneinander angeordneten Erhebungen (14; 24) ausgebildet ist, die durch Zwischenräume (13; 23) voneinander getrennt sind.

Description

Ultraschall-Schweißwerkzeug
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Schweißwerkzeug zur Herstellung einer dünnen Schweißnaht zur Verbindung mindestens zweier thermoplastischer Materialien, die einen Werkzeugkörper mit einer Arbeitsfläche aufweist, durch die die thermoplastischen Materialien zur Herstellung der dünnen Schweißnaht beaufschlagbar ist.
Ein derartiges Ultraschall-Schweißwerkzeug ist bekannt und wird unter anderem zur Herstellung einer durchgehenden, dünnen Schweißnaht zwischen zwei oder mehreren Kunststofffolien verwendet. Derartige Kunststofffolien werden insbesondere zur Herstellung von Schlauchbeutel-Verpackungen eingesetzt, bei der zwei oder mehr Lagen einer thermoplastischen Folie zwischen zwei Ultraschall- Schweißwerkzeuge, nämlich einer Sonotrode und einem Amboss, geführt werden. Nach einem Zustellen eines oder beider Ultraschall- Schweißwerkzeuge werden dann die zu verschweißenden Folien mit Druck und Ultraschall beaufschlagt, was zu einer Plastifizierung der Folien und somit zu einem Verschweißen derselben führt. Dann wird das zu verpackende Material, z. B. Lebensmittel, in die dadurch entstandene beutelartige Verpackung eingeführt und durch ein erneutes Druck- und Ultraschallbeaufschlagen wird dann diese Verpackung zur Ausbildung des fertigen Schlauchbeutels verschlossen.
Hierbei wird bisher als dünne Schweißnaht eine durchgehende Schweißnaht verwendet. Bei der Herstellung dieser klassischen Siegelnähte ist es daher erforderlich, dass bei einer langen und dünnen Arbeitsfläche des Ultraschall- Schweißwerkzeugs eine über dessen Gesamtlänge gleiche Schwingungsdichte gegeben ist, damit über die gesamte Länge der Schweißnaht eine hinreichend dichte Verbindung der zu verschweißenden Plastikfolien ausgebildet wird. Dies ist technisch schwierig durchzuführen, so dass oft Schweißfehler auftreten, die zu Undichtigkeiten der entsprechend hergestellten Schlauchbeutelverpackung füh- ren.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ultraschall-Schweißwerkzeug der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass in einfacher Art und Weise eine verbesserte Schweißqualität bei der Herstellung von dünnen Schweißnähten gegeben ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass auf der Arbeitsfläche des Ultraschall-Schweißwerkzeugs eine Anzahl von nebeneinander angeordneten Erhebungen ausgebildet ist, die durch Zwischenräume voneinander getrennt sind. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird ein Ultraschall-Werkzeug ausgebildet, welches sich dadurch auszeichnet, dass mit ihm in einfacher Art und Weise die Herstellung von langen, dünnen Schweißnähten zur Verbindung von mindestens zwei thermoplastischen Folien ermöglicht wird. Indem nun erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass die durch Zwischenräume beabstandeten Er- hebungen auf der Arbeitsfläche des Ultraschall-Schweißwerkzeugs die Plastifzie- rungspunkte der zu verschweißenden Folien ausbilden, wird in vorteilhafter Art und Weise erreicht, dass die die Ultraschallenergie einbringende Sonotrode nicht mehr über ihre gesamte Länge die gleiche Schwingungsdichte aufweisen muss. Die erfindungsgemäßen Ultraschall-Schweißwerkzeuge eignen sich insbesondere zur Herstellung von Schlauchbeutelverpackungen und sind in vorteilhafter Art und Weise auch bei beschichteten Folien einsetzbar.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Arbeitsfläche eine einzige Reihe von Erhebungen aufweist. Eine derartige Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass sie herstellungstechnisch einfach ist.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Ultraschall-Schweißwerkzeug als ein Amboss ausgeführt ist. Eine derartige Maßnahme besitzt den Vorteil, dass dann eine mit dem Amboss zusammenwirkende So- notrode mit einer planen Arbeitsfläche ausgeführt werden kann, was schalltechnisch Vorteile besitzt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Höhe der Erhebungen geringer als die Dicke des zu schweißenden, thermoplastischen Ma- terials ist. Eine derartige Maßnahme besitzt den Vorteil, dass hierdurch die Gefahr des Durchtrennens der zu verschweißenden Materialien zumindest reduziert wird.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind den Ausführungsbeispielen zu entnehmen, die im folgenden anhand der Figuren beschrieben werden. Es zeigen:
Figur 1 : eine Vorrichtung zur Verschweißung von thermoplastischen Folien zusammen mit einem ersten Ausführungsbeispiel eines Ultraschall-
Schweißwerkzeugs,
Figur 2: eine schematische Darstellung des Ultraschall-Schweißvorgangs, und
Figur 3: ein zweites Ausführungsbeispiel eines Ultraschall- Schweißwerkzeugs.
In Figur 1 ist eine allgemein mit 1 bezeichnete Vorrichtung zur Verschweißung zweier thermoplastischer Folien F1 , F2 dargestellt, welche zwei durch einen
Schweißspalt getrennte Ultraschall-Schweißwerkzeuge 10 und 20 aufweist. Das erste Ultraschall-Schweißwerkzeug 10 fungiert im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel als ein Amboss 10' und das zweite Ultraschall-Schweißwerkzeug 20 ist ein Sonotrodenwerkzeug 20'. Ein Ultraschallgenerator 4 erzeugt Ultraschall- Schwingungen, die über einen Booster 5 an das zweite Ultraschall-Werkzeug 20 geleitet werden und dieses in Schwingungen versetzt. Das erste und/oder das zweite Ultraschall-Schweißwerkzeug 10, 20 sind durch in Figuren nicht gezeigte Aktuatoren zustellbar, so dass beim Schweißvorgang die beiden Folien F1 , F2 vom ersten und/oder vom zweiten Ultraschall-Schweißwerkzeug 20 druckbeauf- schlagt werden.
Wie nun am besten aus der Figur 2 ersichtlich ist, weist das erste Ultraschall- Schweißwerkzeug einen Werkzeugkörper 11 auf, der eine Arbeitsfläche 12 besitzt. Wesentlich ist nun, dass die Arbeitsfläche 12 des Ultraschall- Schweißwerkzeugs 10 eine Anzahl von Erhebungen 14 aufweist, die durch Zwi- schenräume 13 voneinander getrennt sind. Wird nun durch ein Absenken des zweiten Ultraschall-Schweißwerkzeugs 20, hier der Sonotrode 20', die Folien F1 , F2 gegen das erste Ultraschall-Schweißwerkzeug 10, hier den Amboss 10', ge- presst und Ultraschall durch die Sonotrode 20' in die Folien F1 , F2 eingebracht, werden diese im Bereich der Erhebungen 14 plastifiziert. Um jede Erhebung 14 wird eine in Figur 2 schematisch dargestellte Schmelzpfütze P aus dem plastifi- zierten Material der Folien F1 , F2 ausgebildet. Der Abstand zwischen den einzelnen Erhebungen 14 ist bei dem beschriebenen Ultraschall-Werkzeug 10 in vorteilhafter Art und Weise derart gewählt, dass die einzelnen Schmelzpfützen P, welche jeweils eine Erhebung 14 der Arbeitsfläche 12 umgeben, ineinander über- gehen und derart die dünne Schweißnaht S ausbilden. Die Druckbeaufschlagung durch die Arbeitsfläche 12 des ersten Ultraschall-Werkzeugs 10 und eine Arbeitsfläche 22 des zweiten Ultraschallwerkzeugs 20 verbessert durch eine Verpres- sung der Schmelzpfützen P die Ausbildung der durchgehenden, dünnen Schweißnaht S.
Die beschriebene Ausgestaltung der Arbeitsfläche 12 des ersten Ultraschall- Schweißwerkzeugs 10 mit den beabstandet angeordneten Erhebungen 14 besitzen nun den Vorteil, dass zur Herstellung einer gleichmäßigen, dünnen Schweißnaht S und nicht mehr die zur Einbringung des Ultraschalls verwendete Sonotrode 20' über die Gesamtlänge der herzustellenden Schweißnaht S die gleiche Schwingungsdichte aufweisen muss, damit eine über die Gesamtlänge der Schweißnaht gleich bleibende Schweißqualität erzielt wird. Vielmehr ist es in vorteilhafter Art und Weise ausreichend, dass die Sonotrode 20' (nur) jeweils im Bereich der Erhebungen 14 der Arbeitsfläche 12 des ersten Ultraschall- Schweißwerkzeugs 10 die gleiche Schwingungsdichte aufweist. Eine derartige Sonotrode 20' ist einfacher herzustellen als eine, deren Schwingungsdichte über die Gesamtlänge der herzustellenden Schweißnaht im wesentlichen gleich ist.
Die Bemessung der Höhe der Erhebungen 14 ist vorzugsweise derart, dass die Höhe dieser Erhebungen 14 geringer als die Dicke der zu verschweißenden Fo- lien F1 , F2 ist. Dies besitzt den Vorteil, dass beim Schweißvorgang die Gefahr des Durchtrennens der Folien F1 , F2 eliminiert oder zumindest reduziert wird.
Beim vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde davon ausgegangen, dass die Arbeitsfläche 12 des Ultraschall-Schweißwerkzeugs 10 eine einzige Rei- he von Erhebungen 14 aufweist. Es ist aber auch möglich, dass zwei oder mehrere Reihen von Erhebungen 14 vorgesehen sind, so dass dann die Erhebungen 14 matrixartig angeordnet sind. Die Anzahl der möglichen Reihen von Erhebungen 14 wird im wesentlichen durch die Breite der herzustellenden Schweißnaht S bestimmt, da der aktiv am Ultraschall-Schweißvorgang teilnehmende Bereich der Arbeitsfläche 12 nicht breiter sein darf als die Breite der herzustellenden Schweißnaht S.
Im hier gezeigten Fall wird die Arbeitsfläche 12 durch eine stufenartig aus der Oberfläche 11 ' des Werkzeugkörpers 11 hervortretende Leiste 15 ausgebildet, deren Breite gleich oder geringfügig kleiner als die Breite der herzustellenden Schweißnaht S ist. Es ist aber auch möglich, die Erhebungen 14 direkt auf der dann planen Oberfläche 11' des Werkzeugkörpers 11 auszubilden und durch geeignete Maßnahmen am Gegenwerkzeug, hier also der Sonotrode 20', dafür zu sorgen, dass die Schweißnaht nur eine definierte Dicke einnimmt.
Ebenso wird davon ausgegangen, dass die Erhebungen 14 rechteckig sind. Auch dies ist nicht zwingend. Es ist z. B. auch möglich, die Erhebungen 14 polygonartig, z. B. rautenartig, trapezartig, dreieckig, oder auch mit einer krummen Begrenzungslinie, wie z. B. elipsenförmig auszubilden.
Das in Figur 3 gezeigte zweite Ultraschall-Schweißwerkzeug 20 ist ebenfalls für einen Einsatz in einer Vorrichtung gemäß Figur 1 bestimmt, wobei aber im hier beschriebenen Fall den Erhebungen 14 des ersten Schweißwerkzeugs 10 entsprechenden Erhebungen 24 in der Arbeitsfläche 22 eines Werkzeugkörpers 23 der Sonotrode 20' ausgebildet sind, wobei die Arbeitsfläche 24 vorzugsweise als eine von der Oberfläche 21' des Werkzeugkörpers hervorstehende Leiste 25 ausgebildet ist. Die vorstehend gemachten Ausführungen gelten hier entsprechend, so dass auf eine weitere Beschreibung der Ausbildung und der Funktion der durch Zwischenräume 23 getrennten Erhebungen 24 verzichtet werden kann. Die in Figur 3 gezeigte Sonotrode kann in einer Vorrichtung eingesetzt werden, die einen konventionellen Amboss, also einen Amboss ohne die Erhebungen 14 verwendet. Es ist aber auch eine Kombination der vorstehend beschriebenen Maßnahmen, also ein erstes Schweißwerkzeug 10 mit Erhebungen 14 und ein zweites Schweißwerkzeug 20 mit Erhebungen 24, möglich.

Claims

Patentansprüche
1. Ultraschall-Schweißwerkzeug zur Herstellung einer dünnen Schweißnaht zur Verbindung mindestens zweier thermoplastischer Materialien (F1 , F2), die einen Werkzeugkörper (11 ; 21) mit einer Arbeitsfläche (12; 22) besitzt, durch die die thermoplastischen Materialien (F1 , F2) zur Herstellung der dünnen
Schweißnaht (S) beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Arbeitsfläche (12; 22) des Ultraschall-Schweißwerkzeugs (10; 20) eine Anzahl von nebeneinander angeordneten Erhebungen (14; 24) ausgebildet ist, die durch Zwischenräume (13; 23) voneinander getrennt sind.
2. Ultraschall-Schweißwerkzeug nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (14; 24) in einer einzigen Reihe angeordnet sind.
3. Ultraschall-Schweißwerkzeug nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass auf die Arbeitsfläche (12; 22) des Ultraschall-Schweißwerkzeugs (10;
20) mehrere Reihen von Erhebungen (14; 24) aufweist.
4. Ultraschall-Schweißwerkzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Erhebungen (14; 24) geringer als die Dicke des zu verschweißenden thermoplastischen Materials (F1 , F2) ist.
5. Ultraschall-Schweißwerkzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsfläche (12; 22) des Ultraschall- Schweißwerkzeugs (10; 20) durch eine aus der Oberfläche (11 '; 21 ') des
Werkzeugkörpers (11 ; 21) hervorspringende Leiste (15; 25) ausgebildet ist.
6. Ultraschall-Schweißwerkzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die oder zumindest eine der Erhebungen (14; 24) einen polygonalen Umriss besitzen, insbesondere rechtecks-, trapez- oder rautenförmig ausgebildet sind.
7. Ultraschall-Schweißwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die oder zumindest eine der Erhebungen (14; 24) eine krumme Begrenzungslinie aufweist, insbesondere elipsenförmig ausgebildet ist.
8. Ultraschall-Schweißwerkzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschall-Schweißwerkzeug (10) als ein Amboss (101) ausgebildet ist.
9. Ultraschall-Schweißwerkzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschall-Schweißwerkzeug (20) als eine Sonotrode (20') ausgebildet ist.
10. Ultraschall-Schweißwerkzeug zur Herstellung einer dünnen Schweißnaht zur Verbindung mindestens zweier thermoplastischer Materialien (F1 , F2), die ein erstes Ultraschall-Schweißwerkzeug und ein von diesem durch einen Schweißspalt getrenntes zweites Ultraschall-Schweißwerkzeug aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ultraschall-Schweißwerkzeug (10) und/oder das zweite Ultraschall-Schweißwerkzeug (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet sind.
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