AT302908B - Vorrichtung zur Herstellung von Quer-Verschlüssen an tubenförmigen,zusammendrückbaren Behältern, mittels induktiv zugeführter Hochfrequenz-Energie - Google Patents

Description

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   Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Quer-Verschlüssen an tubenförmigen,   zusammendrückbaren   Behältern, welche mindestens aus je einer äusseren Metallschicht sowie einer inneren Kunststoff-Schicht bestehen und eine Längsnaht haben, mittels in einem Generator erzeugter und den zu verschliessenden Behälter über eine wassergekühlte Elektrode induktiv zugeführter Hochfrequenz-Energie, wobei der Elektrode ein   Massekem-beispielsweise   aus Ferrit od. dgl.-zugeordnet sein kann, welcher deren geradlinigen, hochfrequenzenergie-führenden Teil umschliesst, so dass lediglich die die Schweissverbindung der tubenförmigen Behälter bewirkende Seite der etwa quadratisch bzw.

   rhombisch ausgebildeten Elektrode vom Massekern freibleibt, und wobei die Elektrode mit dem sie umschliessenden Massekern in einem Giessharz-Körper eingebettet sein kann-insbesondere in einer   Tuben-Füll-und-verschIiess-Maschine,   in welcher zumindestens das   Zuführen,   Zentrieren, Ausrichten, Füllen, Verschliessen und Beschneiden in wenigstens zwei zueinander parallelen Arbeitssträngen erfolgt. 



   Insbesondere pastöse   Güter-wie   Zahncremes, Kosmetika, Pharmazeutika   od. dgl.-werden   üblicherweise in Metall- oder Kunststoff-Tuben abgefüllt ; das Verschliessen der   Metalltuben   erfolgte dabei durch ein- oder 
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 Anwendung unterschiedlicher Verfahren, verschweissen. Der Verwendung von Metall- und Kunststoff-Tuben sind aus naheliegenden Gründen vor allem dann Grenzen gesetzt, wenn in denselben verderbliche   Güter-beispielsweise Lebensmittel-abgepackt   werden sollen, welche dann durch den Einfluss ungeeigneter Metalle oder Kunststoffe hinsichtlich in ihrem Geschmack verändert werden   können-ganz   abgesehen davon, 
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 gesundheitliche Schäden eintreten können. 



   Seit einiger Zeit ist es auch bekannt, Tuben, insbesondere solche, die der Aufnahme von Nahrungsmitteln dienen, aus mehreren Schichten herzustellen : Eine dieser bekanntgewordenen Tuben bestand aus drei Schichten,   u. zw.   aus einer Kunststoff-Innenschicht mit niedrigem dielektrischen Verlustfaktor, einer aussen auf der Kunststoffschicht aufgebrachte Metallschicht, etwa Aluminium, sowie einer wieder auf der Metallschicht angeordnete Schicht aus Papier und/oder Kunststoff. 



   Moderne Tuben weisen bereits bis zu acht verschiedene Schichten auf,   u. zw.   (von aussen nach innen) :
1. 0 transparentes Hochdruck-Polyäthylen,
2. 0 bedrucktes, weisses Hochdruck-Polyäthylen,
3. 0 Papier,   4. 0 Hochdruck-Polyäthylen,   
5. 0 Copolymer mit besonderen Klebeeigenschaften,
6. 0 Aluminium. 



   7. 0 Copolymer, und schliesslich
8. 0 Hochdruck-Polyäthylen. 



   Je nach den chemiko-physikalischen Eigenschaften und Eigenheiten des zu verpackenden Gutes kann die Anzahl der Tubenschichten variieren. 



   Die Herstellung derartiger Mehrschichttuben erfolgt in der Regel so, dass das in Gestalt einer Folienbahn vorliegende Material zunächst in einzelne Abschnitte quer unterteilt, die einzelnen Abschnitte sodann gerollt und schliesslich der auf diese Weise entstandene Tubenzylinder mit einer überlappenden Längsnaht verschweisst wird. 



  Der Tubenzylinder erhält auf einer Seite ein Schulterstück aus dichtem Kunststoff, welches unter Anwendung eines besonderen, an dieser Stelle jedoch keiner weiteren Erörterung bedürfenden Verfahrens eingesetzt wird. Das Schulterstück ist dabei in üblicher Weise mit einer Austrittsöffnung für das Füllgut versehen ; die Austrittsöffnung ist mittels einer Schraubkappe verschliessbar. 



   Den vorstehend schon erwähnten mehrschichtigen Tubenmaterialien ist gemeinsam, dass wenigstens eine der Innenschichten aus einem unter Wärme und Druck verschweissbaren Kunststoff besteht. 



   Nicht zuletzt, um vorhandene   Tubenfü1l- und verschliessmaschinen   weiterverwenden oder durch Zusatzeinrichtungen ergänzen zu können, ist es wünschenswert, wenn die mehrschichtigen Tubenmaterialien sich wie die eingangs erwähnten (Nur-) Metall-oder Kunststofftuben verarbeiten lassen. Da, wie schon geschildert, die fertigen, mit Schulterstück und Schraubkappe versehenen Tuben zum Abfüllen gelangen, stellt sich für den Anwender derartiger Tuben primär das Problem, auf welche Weise die offenen Tubenenden verschlossen werden können. 



   Um einen Querverschluss der offenen Tubenenden zu erhalten,   d. h.   um die in den Tubenkörpern enthaltenen Kunststoffschichten miteinander zu verschweissen, ist es bekannt, sich manuell oder maschinell betätigbarer Verschlussbacken zu bedienen. Wie die nachfolgende Übersicht zeigt, sind bereits recht unterschiedliche   Verschlussbacken-Ausführungen   in Gebrauch : Bei üblichen Kunststofftuben, die   z. B.   aus PVC oder aber aus Polyäthylen bestehen, ist Verschweissen durch Kontaktwärme mit Heizbackensystemen aus Stahl, Kupfer, Aluminium oder Al-Legierungen die Regel ; derartige Heizbacken sind mit Heizpatronen versehen, um einen Temperaturbereich beliebig einstellen und im Betrieb durch Regeln aufrechtzuerhalten.

   Die Kanten der Heizbacken, die elektrodenartig wirken, sind bei dieser bekannten Ausführungsform etwa durch glasfaserverstärkte Folien abgedeckt, die aus Kunststoffen bestehen, wie sie etwa unter dem Handelsnamen 

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 "Teflon" bekannt sind. Durch die Anwendung derartiger Materialien werden Klebwirkungen der erweichenden Kunststoffschichten an den Elektrodenoberflächen vermieden. 



   Bei Wärmeimpulselektroden werden die aus einem Metall hergestellten Elektroden mit einem wärmebeständigen Isoliermaterial abgedeckt ; auf dieser nichtleitenden Schicht wird das Impulsband, etwa ein flaches Metallband, montiert. Mittels kurzem Hochstromstoss wird das Metallband über den Schmelzpunkt des Kunststoffes hinaus erhitzt und dadurch der Kunststoff im Nahtgebiet durch Kontaktwärme zum Schmelzen gebracht. 



   Zum Verschweissen der Tuben-Kunststoffschichten ist-wie bei der oben schon erwähnten Methode-der Schluss der Heizbackensysteme unter Druck erforderlich. 



   Bei beiden Systemen ist die Schweissleistung pro Zeiteinheit relativ niedrig, weil der Wärmeübergang vom Schweisswerkzeug durch die Kunststoffschicht hindurch bis in die Schweisszone einen relativ grossen Zeitaufwand erfordert. 



   Eine andere Möglichkeit, Querschweissnähte an Tuben herzustellen, besteht in der Anwendung von mit 
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 bestehendes Klemmbacken-Paar frei hinausstehende Nahtgebiet beidseitig durch Ultrarot-Strahlung auf Schmelztemperatur gebracht. Dieser Vorgang benötigt mehrere Sekunden und erfolgt auf zwei und mehr Folgestationen. Ist der Schmelzvorgang erreicht, wird sodann das angeschmolzene Nahtgebilde auf einer weiteren Klemmstation gepresst und zugleich abgekühlt. Dieses Verfahren erweist sich nur für Polyäthylen-Tuben als geeignet, weil sich bei diesen der Erweichungszustand über ein relativ breites Temperaturgebiet erstreckt. Für PVC-Tuben wird es in der Praxis jedoch nicht angewendet. 



   Demhingegen lässt sich für das Verschweissen von PVC-Tuben relativ gut das kapazitive Hochfrequenz-Verfahren anwenden. Als Elektrodenpaar dienen in diesem Falle dann zwei planparallele Metallplatten aus Kupfer, deren Oberflächenmasse durch Länge und Breite der gewünschten Schweissnaht gegeben sind. Beide Elektroden können bis auf einen engen Spalt genähert werden. Durch den entstehenden Spalt wird die Tube zunächst flachgedrückt und sodann zusammengepresst. Da beide Elektroden HF-Spannungen von mehreren 1000 V führen, müssen sie hochwertig isoliert aufgehängt sein. Durch den elektrischen Dipolcharakter der PVC-Moleküle erfolgt die Erwärmung der Kunststoffschichten nach folgender Beziehung :   W=A. M. e. tgS.

   E . 10' [Watt/cm ]   
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<tb> 
<tb> wobei
<tb> W <SEP> = <SEP> umgesetzte <SEP> Wärmemenge <SEP> pro <SEP> Volumeneinheit,
<tb> A <SEP> = <SEP> 0, <SEP> 0885, <SEP> 
<tb> w <SEP> = <SEP> Kreisfrequenz,
<tb> e <SEP> = <SEP> Dielektrizitätskonstante,
<tb> tg <SEP> 5 <SEP> = <SEP> Verlustwinkel, <SEP> und
<tb> E <SEP> = <SEP> Feldstärke <SEP> [in <SEP> Volt/cm]
<tb> ist.
<tb> 
 



   Während bei diesem Verfahren für PVC   tgb   ausreichend gross ist, kommt diese Art der Erwärmung jedoch für Polyäthylen nicht in Betracht, da dessen tgb etwa nur 1/100 von PVC beträgt. Auf Grund des Vorstehenden lässt sich unschwer ableiten, dass das eben beschriebene Verfahren nur für Kunststoffe mit grossem   tgo   anwendbar ist, und dass der Anwendungsbereich praktisch nur auf PVC begrenzt ist. Infolgedessen, dass bei diesem Verfahren auch die Anzahl der offen-und Schliessbewegungen der Verschlussbacken pro Minute relativ niedrig (etwa 20.... 30) liegt, vermochte es sich in der Praxis nicht in grösserem Umfang durchzusetzen. 



   Als letztes der bekanntgewordenen Verfahren sei hier nun noch das Ultraschall-Schweissverfahren genannt. 



  Dieses Verfahren ist für das Herstellen von Querverschlüssen an Kunststofftuben universell geeignet, weil die meisten Thermoplaste sich mit Ultraschall-Schweissbacken, die bekanntlich aus einer mit Ultraschallfrequenz mechanisch schwingenden metallischen Pressbacke, der Sonotrode, und einer metallischen Gegenbacke, dem Amboss, bestehen, verschliessen lassen. Da das öffnen und Schliessen der Schweissbacken, das Schweissen sowie das Abkühlen der Naht in einer einzigen Station erfolgen, bereitet bei diesem Verfahren das Kühlen gewisse Schwierigkeiten. Die Arbeitstaktzeit derartiger Maschinen ist daher naheliegender Weise verhältnismässig gross, so dass auch bei diesem Verfahren ebenfalls nur relativ niedrige Stückzahlen (35 bis 45 Stck/min) erreicht werden können. 



   Den im Vorstehenden beschriebenen Arbeitsverfahren haften vor allem dann beträchtliche Mängel und Nachteile an, wenn mit ihnen Mehrschichttuben der ebenfalls schon erörterten Art verschweisst werden sollen. Da derartige Tuben nun aus Mehrschichtfolie entstanden sind, sind sie naheliegender Weise auch mit einer Längsnaht versehen, die in der Regel aus einer überlappungsnaht besteht. Es ist zwar grundsätzlich möglich, diese Mehrschichttuben durch Kontaktwärme mit normalen Heizbackensystemen oder mit Ultraschall-Pressbacken zu verschliessen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass bei dem Wärmekontaktverfahren   der Wärmeübergang   durch den 

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   In weiterer Ausgestaltung dieses Erfindungsmerkmales hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass die Mittel zur Dämpfung der Wirbelstrom-Streufelder im wesentlichen aus einem relativ dünnen wassergekühlten
Metallschirm nichtferromagnetischen Werkstoffs bestehen, der in achsparalleler Richtung und mit Abstand zu dem die HF-Energie auf die tubenförmigen Behältnisse übertragenden Teil der Elektrode angeordnet sind. 



   Weiteren Merkmalen der vorgeschlagenen Erfindung zufolge ist der Metallschirm zum Durchfluss des
Kühlwassers doppelwandig ausgebildet. Selbstverständlich lässt sich alternativ auch ein einwandig ausgebildeter
Metallschirm an seiner achsparallel zum HF-Energie übertragenden Teil der Elektrode verlaufenden unteren Seite mit einem Rohr vorzugsweise quadratischen bzw. rhombischen Querschnittes zum Durchfluss des Kühlwassers versehen. 



   In überaus vorteilhafter Weise ist nach einem andern Merkmal der Erfindung vorgesehen, dass die
Kühlwasserführung im bzw. am Metallschirm mit derjenigen der Elektrode in Verbindung steht und zwischen
Schirm und Elektrode sowohl am Kühlwasser-Zulauf als auch am Kühlwasser-Ablauf je ein Isolierglied angeordnet ist. 



   Sinnvoll ergänzt und vervollkommnet wird die vorgeschlagene Erfindung schliesslich auch noch dadurch, dass das Isolierglied zwischen Schirm und Elektrode aus einem Kunststoff-Schlauch, wie etwa PVC   od. dgl.,   besteht. 



   Auf Grund der schon an anderer Stelle aufgeführten und durch die vorgenommenen Versuche erhärteten
Erkenntnisse sollen deshalb hier nur einige gravierende Vorteile erwähnt sein, die die vorgeschlagene Erfindung mit sich bringt : Wie-auch aus den Zeichnungen-unschwer zu erkennen ist, ist die vorgeschlagene Erfindung überaus einfach und billig in Aufbau und Herstellung. Sie bietet zudem die Möglichkeit, auch bereits vorhandene   Schweisselektroden-Anordnungen   mit der Abschirmung nachzurüsten. 



   Selbstverständlich erschöpft sich die vorgeschlagene Erfindung keineswegs aber nur in den vorstehend dargetanen Merkmalen. 



   Von weitaus grösserer Bedeutung ist die Tatsache, dass es unter Benutzung der vorgeschlagenen Erfindung nicht nur gelungen ist, erstmalig Tuben zu verschweissen, deren Längsnähte in beliebiger Lage zur Schweisselektrode orientiert sein können, sondern dass die Erfindung auch erstmalig hiefür bereits in der Praxis erprobte Wege weist, Schirmmittel zum Abfangen von unerwünschter elektrischer Wirbelstrom-Streufelder so anzuordnen, dass eine Überbeanspruchung der Längsnaht im Stossbereich mit der Quernaht etwa im Sinne von Lockerungen bzw. Undichtigkeiten mit Sicherheit vermieden bleibt. 



   In den Zeichnungen ist die Erfindung an zwei Ausführungsbeispielen dargestellt, ohne sich indes in diesen allein zu erschöpfen. Es zeigt Fig. 1 einen mit einer Hochfrequenz-Induktorschleife und mit einer wassergekühlten Abschirmung versehenen Verschlussbacken in raumbildlicher Darstellung, Fig. 2 eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung eines Verschlussbackens mit doppelwandig ausgebildeter Abschirmung, Fig. 3 eine am Verschlussbacken mit Hochfrequenz-Induktorschleife anliegende Tube kurz vor dem Verschweissen, ebenfalls in raumbildlicher Darstellung, und schliesslich Fig. 4 einen Vertikalschnitt durch die zueinander korrespondierend ausgebildeten Verschlussbacken mit zwischen diesen befindlicher Tube im Augenblick der   HF-Energie-Zuführung.   



   In Fig. 1 ist in den in seiner Gesamtheit mit--l--bezeichneten und im wesentlichen us einem Giessharz-Körper od. dgl. bestehenden Verschlussbacken eine durch Wasser gekühlte   Induktorleiterschleife-2--   eingegossen, die etwa aus einem quadratisch, oder rhombisch ausgebildeten Rohr bestehen kann. Die Enden dieser Leiterschleife münden in dem   Anschlussstück-3--,   das durch die   Isolation --4-- in   zwei Hälften unterteilt ist. Um die   Leiterschleife--2--herum   erstreckt sich ein Massekern beispielsweise aus Ferrit od. dgl., welcher derart ausgenommen bzw. freigearbeitet ist, dass die Leiterschleife--2--nur mit ihrer der   Tube-6-- (vgl. Fig. 3   und 4) zugekehrten Fläche nicht vom Massekern umschlossen ist. 



   An der nach unten weisenden   Schrägen--la--des Verschlussbackens--l--ist,   entsprechend   Fig. l,   ein relativ dünnes metallisches   Abschirmblech --7-- aus   nichtferromagnetischem Werkstoff angebracht. Das Anbringen geschieht so, dass zwischen der Oberkante dieses Bleches und dem dazu parallelen   Stück-2a-der     Leiterschleife --2-- ein   gewisser   Spalt --2b-- verbleibt,   so dass zwischen   Abschirmblech --7-- und     Leiterschleife --2-- eine   elektrisch leitende Verbindung ausgeschlossen ist. 



   Das   Abschirmblech --7-- hat   die Aufgabe, die im Bereich der Tubenlängsnaht und unterhalb der Querschweissnaht auftretenden unerwünschten Wirbelstrom-Streufelder weitgehend zu dämpfen. 



   Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die in dem   Abschirmblech --7-- durch   die Wirbelströme entstehende Wärme über ein besonders ausgebildetes Wasserkühlsystem abzuführen : Wie in   Fig. 1   ersichtlich, befindet sich ein vom Kühlwasser durchflossenes Vierkantrohr od.   dgl.--7b--in   der Nähe der   Unterkante--7a--des   Abschirmbleches--7--, um die Wirkung des   Massekerns--5--für   den eigentlichen Schweissbereich voll ausnützen zu können. Im Prinzip ist es selbstverständlich möglich, ein derartiges Kühlrohr auch in anderer Weise auf dem Abschirmblech--7--anzuordnen.

   Zweckmässigerweise wird das Kühlwasser für das   Rohr-7b-   zur Kühlung des   Schirmes--7--gleich   der   Kühlwasserführung--2a--der Induktorleiterschleife--2--   entnommen. Aus diesem Grunde erfolgt die Überbrückung der Wasserzuleitung zwischen Induktorleitung   --2a-- und   der   Abschirmblechkühlleitung--7b--über Anschlussstück--8-aus Kunststoff.   



   In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform für das Abschirmblech--7--dargestellt. Diese 

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