DE2105425A1 - Verfahren und Vorrichtung zur hermetisch abdichtenden Befestigung eines Kunststofforgans in einer Öffnung - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur hermetisch abdichtenden Befestigung eines Kunststofforgans in einer Öffnung

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DE2105425A1
DE2105425A1 DE19712105425 DE2105425A DE2105425A1 DE 2105425 A1 DE2105425 A1 DE 2105425A1 DE 19712105425 DE19712105425 DE 19712105425 DE 2105425 A DE2105425 A DE 2105425A DE 2105425 A1 DE2105425 A1 DE 2105425A1
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Description

Verfahren undYorrichtung zur hermetisch .abdichtenden Befestigung eines Kunststoff-Organs in einer öffnung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur hermetisch abdichtenden Befestigung eines Kunststofforgans in einer in einer Platte oder starren Folie, beispielsweise aus Metall, vorgesehenen Öffnung.
Das Verfahren und die Vorrichtung finden ein wichtiges Anwendungsgebiet insbesondere bei der Befestigung von Greiforganen aus Kunststoff an den Deckeln metallischer Behälter, wie Konservendosen, "zum leichten Öffnen"? d.h. ohne Hilfsgerät zu öffnende Dosen.
Es sind bereits Verfahren zum Lösen dieses Problems vorgeschlagen worden.
Üblicherweise geht man dabei so vor, daß ein verstärkter Abschnitt eines Kunststofforgans in ein Loch des Deckels ;}äh eingeklinkt wird. Der auf diese Weise erzielte Dichtheitsgrad reicht jedoch nicht für unter Druck stehende Füllung, wie kohlensäurehaltige Getränke aus.
Nach einem anderen bekannten Verfahren wird der Kunststoff an Ort und Stelle unter Druck eingeformt oder ein Vorformling aus Kunststoff wird in seine endgültige Gestalt gebracht. Beim Spritzgießen ist es schwierig, eine Qualitätsfertigung mit sehr hohen Stückzahlen zu erreichen, wie sie für die Massenproduktion, z.B. von Deckeln für Konservendosen, gefordert wird.
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Es sind ferner eine große Anzahl von Vorrichtungen "bekannt, mit denen thermoplastische Kunststoffe in plastifiziertem oder flüssigem Zustand unter Verwendung eines Ultraschallgenerators miteinander verschmolzen werden können, um eine örtlich begrenzte Verschweißung oder Formung zu erhalten. Der schwingende Teil des Ultraschallgenerators, gewöhnlich als "Nase" bezeichnet, hat eine zum Übertragen von Ultraschallschwingungen auf die thermoplastische Masse geeignete Gestalt. Eine derartige Behandlung mit Ultraschall geschieht häufig unter Anwendung honen Brücken.
Wenn man bei Anwendung des Ul traschall-Verfahr ens die durch Spritzgießen erhaltene thermoplastische Masse örtlich erhitzt, stellt man fest, daß die Qualität des ersten Formungsvorgangs einen Einfluß auf das Endergebnis des Verfahrens hat. Unter konstantem Druck der "Nase" ergeben die Volumen- und Dichteänderungen sowie die unvermeidlichen Unregelmäßigkeiten der geformten Werkstücke, die einer Ultraschallbehandlung unterworfen werden, eine Variierung der Verschmelzungsbedingungen. Beim Einwirken von außen auf die plastische Masse zu ihrem Inneren hin ist der Druck der "Nase" während der Aufheiz- und Abkühlperiode konstant. Indessen verändert sich während der Änderungen des physikalischen Zustandes der thermoplastischen Masse der Druck im Inneren der Masse, so daß die erzielten Ergebnisse unkontrollierbar werden, selbst wenn man einen sehr genau und stets mit konstanten Ausgangsgrößen arbeitenden Ultraschallgenerator verwendet; es wird somit unmöglich, den erforderlichen Grad an Dichtheit zu erreichen.
Dem Verfahren undjder Vorrichtung nach der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Aufbringen einer mechanischen, in Abhängigkeit der Qualität der thermoplastischen Formlinge steuerbaren Kräfteinwirkung und andererseits durch Weichmachen unter Verwendung von Ultraschall eine hermetische Abdichtung eines Kunststofforgans gegenüber einer oder mehreren Platten oder Folien, die es durchdringt, zu schaffen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung vorgesehen, daß das· Kunst-
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stofforgan zwei gesonderte Teile umfaßt und daß diese Teile durch die Öffnung hindurch dadurch miteinander verbunden werden, daß der Rand der öffnung zwischen den Rändern der beiden Teile des Organs unter dosierter Krafteinwirkung auf diese Teile eingefaßt wird, daß das Organ bei aufrecht erhaltener, durch die Kraft erzeugter innerer Spannung zwischen den beiden Teilen durch Ultraschall aufgeheizt wird und daß es einer weiteren Krafteinwirkung unterzogen wird.
Die weitere Krafteinwirkung kann unmittelbar auf die Ultraschallbehandlung folgen oder auch vor Beendigung der Ultraschallbehandlung stattfinden.
Es hat sich gezeigt, daß bei allen auftretenden Veränderungen der Abmessungen, des Volumens und der Dichte der verwendeten Vorformlinge im Ergebnis eine vollkommene Dichtheit infolge einer nahezu automaitsehen Angleichung an diese Veränderungen mit dem Verfahren nach der Erfindung erzielt werden kann.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens nach der Erfindimg werden die beiden mechanischen Krafteinwirkungen durch Verschrauben der beiden Teile des Kunststofforgans mit konstantem Moment aufgebracht, wobei sicli die Anzahl der Umdrehungen automatisch an die Abmessungen und die Dichte der zu verschraubenden Teile anpaßt.
Vorzugsweise wird der Rand der dicht zu verschließenden öffnung vor dem Einsetzen des Kunststofforgans in die Platte oder Folie hochgezogen, um einen Kragen zu bilden.
Eines der beiden Teile des Kunststofforgns kann vor deren Verbindung mit einer Zentrierschulter versehen werden.
Eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens ist gekennzeichnet durch eine Schraubvorrichtung, deren Kopf eine mit einem Bereich eines der Teile des Kunststofforgans zusammenwirkende Mitnahmevorrichtung aufweist, sowie einen Ultraschallgenerator, dessen schwingender Teil ein Halteglied aufweist, das zum Festhalten des anderen Teils des Kunststofforgans beim Aufbringen einer Kraft auf das eine Teil dient. Ebenso kann
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natürlich auch der schwingende Teil des Ultraschallgenerators, d.h. die "Nase" als Schraubvorrichtung dienen, wobei dann das eine Teil festgehalten wird.
Die Erfindung sowie vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnung an drei Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Pig. 1 einen vertikalen Teilschnitt durch eine Vorrichtung nach der Erfindung vor Beginn des erfindungsgetnäßen
Verfahrens;
Pig. 2 einen entsprechenden Teilschnitt während der Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung;
Pig. 3 einen Teilschnitt nach einer der Pig. 1 oder 2 am Ende des Verfahrens nach der Erfindung;
Pig.4-6 in den Pig. 1-3 entsprechenden Teilschnitten ein abgewandeltes Kunststofforgan und
Pig. 7 in einem der Pig. 1-6 entsprechenden Teilschnitt die Anwendung eines Kunststofforgans für die Verbindung von zwei Metallplatten.
Das in den Pig. 1-3 dargestellte erste Ausführungsbeispiel zeigt die Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung zur Befestigung eines Verschlußstückes "zum leichten öffnen" mit einem auf der Außenseite eines Deckels vorgesehenen Griffstück und einer auf der Innenseite des Deckels vorgesehen"einziehbaren Lippe, die ein Öffnen des Behälters ermöglichen. Das Kunststofforgan kann z.B. aus einem Polyolefin, z.B. Nieder·- . druck-Polyöthylen, Polypropylen oder dergl. hergestellt werden.
Gemäß der Erfindung ist das Verschlußstück von zwei Teilen 1■ und 1" gebildet, wobei das erste Teil 11 das Griffstück 2 trägt, während das zweite Teil 1" mit der einziehbaren Lippe 3 auf der Innenseite des Behälters versehen ist, dessen Dekkel 4 nur teilweise gezeigt ist. Alle Arbeitsschritte am Dek-
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kel werden vor dessen Kerb- oder Quetschverbindung mit dem Behälter ausgeführt.
Die in dem Deckel 4 vorgesehene Öffnung 5 ist von einem Kragen 6 umgeben, der die Haftung des Verschlußstückes im Falle einer zufälligen Verformung des Deckels verstärkt.
Zum besseren Verständnis der nur schematischen Zeichnungen sei erwähnt, daß die Stärke der Deckelplatte 4 (ungefähr 0.25mm) und die Höhe des Kragens 6 (ungefähr 0.5 mm) stark vergrößert bezüglich der Abmessungen des Verschlußstückes bzw. des Kunststoff organs dargestellt sind, welches in den Figuren 1 bis 3 angenähert in wahrer Größe gezeigt ist. |[
Die beiden Teile 1' und 1" des Organs sind ineinander mit Hilfe der Schraubgewinde 7' und 7" verschraubbar.
Um das Einschrauben zu erleichtern, sind an den Außenflächen der beiden Teile 11 und 1" Gegenhalteflachen 8 und 9 vorgesehen, die im dem gezeigten Beispiel polygonal ausgebildet sind.
Die Gegenhalteflache 9 wirkt mit einer Mitnahmevorrichtung 10 am Kopf der Schraubvorrichtung 11 zusammen, während die Gegenhaltefläche» 8 des anderen Teils zur Aufnahme eines Haltegliedes 12 gestaltet ist, daß am Kopf des schwingenden Teils * 13, der "Nase", einer Ultraschall-Schweißvorrichtung angeord- ' net ist.
Fig. 1 zeigt die Schraubvorrichtung 11 und die "Nase" 13 im Abstand von den entsprechenden Teilen 1* und 1" des Kunststofforgans und diese wiederum im Abstand voneinander und von der Öffnung 5, in welcher das Kunststofforgan befestigt werden soll.
Das Teil 1" ist über der Mitnahmevorrichtung 10 der Schraubvorrichtung 11 derart angeordnet, daß die Gegenhalteflachen 9 mit dieser ausgerichtet sind und der Deckel 4 sich darüber befindet. Darauf werden die Schraubvorrichtung 11 und die "Nase"
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13 einander genähert', und zwar im allgemeinen durch eine Abwärtsbewegung der letzteren.
Sin erstes Verspannen unterAufbringen eines genau vorbestimmten Drehmomentes wird durch Gegeneinanderverdrehen der mit Gewinde versehenen Teile erzielt, bis die Teile 1· und1" den Kragen der Öffnung im !Deckel berühren. Unter Ausnützung der Elastizität der plastischen Masse, so unterschiedlich diese auch immer sein mag, muß dieses erste Verspannen ausreichen, um eine bestimmteDeformation desjenigen Abschnitts des oberen Teils 1f zu erzielen, das mit dem Deckel, insbesondere mit dem Kragen 6 in Berührung steht, Jedoch darf das aufgebrachte Moment bei diesem ersten Verspannen nicht zu stark sein, um nicht die Schwingungsfähigkeit der Anordnung und insbesondere des Deckels zu unterdrücken.
Wenn am Ende des ersten Krafteinwirkungsvorganges die in Pig.2 dargestellte Lage erreicht ist, wird der Ultraschallgenerator mit einer in Abhängigkeit von den Eigenschaften der zu verbindenden Körper, ihrer Form und ihres Volumens gewählten Frequenz, z.B. 20 kHz mit einer Amplitude von 25 Micron für Werkstückeais Polypropylen eingeschaltet. Die erzeugte Schwingung wird auf das Teil 1 · und von diesem auf den Deckel übertragen, dessen Kragen aufgrund der Aufweichung desjenigen Abschnittes der plastischen Masse, der mit dem Metalldeckel in Berührung steht in das Teil 1' eindringt.
Am Ende der Umformungsphase mittels Ultraschall wird vor Abkühlen der plastischen Masse ein Drehmoment genau bestimmter Größe auf die beiden Teile aufgebracht, wodurch die Vereinigung der beiden Teile vollendet wird. Es ist nicht ausgeschlossen, den zweiten Verschraubungsvorgang vor dem Ende der Aufheizphase mit Ultraschall beginnen zu lassen.
fig. 5 zeigt den Endzustand, bei dem das Kunststofforgan mit dem Deckel verbunden ist.
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Die drei Ariseitsphasen: Krafteinwirkung-Ultraschalleinwirkung-Krafteinwirkung geschehen in sehr schneller Reihenfolge in der Größenordnung dee Bruchteils einer Sekunde. Daraus wird deutlich, warum das Verfahren besonders für Massenfabrikation geeignet ist·
Ein zweites Ausführungsbeispiel ist in den Pig. 4- 6 dargestellt, die stark vergrößert ein abgewandeltes Organ darstellen, das mit einer Platte verbunden werden soll.
Die beiden Teile dieses Kunststofforgans haben diePorm von Schraube 101* und Mutter 101". Die Schraube 101· wird mittels % Haltestiften 102 festgehalten, die an der Ultraschall-"liase" 105 angeordnet sind. Die Mitnahme der Mutter 101" wird durch Mitnehmer 104 am Kopf 105 der Schraubvorrichtung bewirkt. Die Mutter 101" hat eine Zentrierschulter 106, die dazu dient, das Kunststofforgan genau zentrisch in der öffnung 5 anzuordnen.
Der VerJTahrensablauf ist bei diesem Beispiel ausgehend von dem Zustand dargestellt, in dem die beiden Teile 101· und101M des Kunststofforgans gerade die Platte 4 und den Kragen 6 berühren und gerade die mechanische Kräfteinwirkung durch Zusammenwirken der Gewindegänge 107' und 107" bis zur Berührung J der beiden Teile mit dem Deckel stattgefunden hat (Fig. 4).
In diesem Zeitpunkt wird der Ultraschallgenerator eingeschaltet. Infolge der erzeugten Schwingung erzeugt der Kragen eine Reibung an dem damit zusammenwirkenden Abschnitt der Schraube 101·, wobei sich dieser Abschnitt in der Berührungszone zwischen Schraube und Kragen zu erweichen beginnt. Da die aus Schraube 101f und Mutter 101" bestehende Anordnung unter innerer mechanischer Spannung steht, kann der Kragen 6 in den Kopf der Schraube 101 * eindringen.
Der mit einer konstanten Frequenz P1 und Amplitude A1 arbeitende, unter Berührungsdruck (selbst wenn dieser klein ist) mit
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dem Kopf der Schraube 101 * stehende Ultraschallgenerator erzeugt im Inneren der plastischen Masse der Schraube eine Schwingung mit einer mittleren Frequenz F2 und einer mittleren Amplitude A2. Der Schraubenkopf überträgt diese Schwingung auf die Metallplatte, die ihrerseits mit einer Frequenz F3 und einer Amplitude A3 zu schwingen beginnt. Diese Schwingungen werden schließlich im wesentlichen bei 108 mit einer Frequenz F4 und einer Amplitude A4 auf die plastische Masse zurückübertragen. Die beiden zuletztgenannten Parameter sind je nach physikalischem Zustand der Masse im laufe ihrer Behandlung unterschiedlich grüß. ·
Gemäß der Erfindung wird während der Aufheizungsperiode durch Ultraschall die zwischen den Teilen 1 ' und 1'' durch das Aufbringen des ersten Drehmomentes erzeugte innere Spannung durch Festhalten der Schraubvorrichtung 11 bzw. 103,104 und des Halte-
/Teile
gliedes 12 bzw. 102,103 in ihrer Endlage, die diese nach Aufbringen des ersten Drehmomentes einnetmen. oder allein aufgrund der durch dieses erste Drehmoment erzeugten Reibung in den Gewindegängen 7', 7I! bzw. 107', 107" aufrechterhalten.
Wenn während der Ultraschalleinwirkung keine innere mechanische Spannung zwischen den Teilen 11, 111 bzw. 101», 10111 herrschen würde, müßte das Eindringen des Kragens durch von der "Nase" ausgeübten Druck erzeugt werden. Das hätte, wie schon angedeutet, eine beträchtliche Veränderung der Wirkung des Ultraschalles während dessen Anwendungsphase und während der Abkühlungsphase zur Folge. Außerdem bringt ein zu starker Druck der "Nase11 die Gefahr mit sich, die zur Durchführung des Verfahrens erforderlichen Schwingungen zu unterdrücken.
Bei Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung stellt man fest, daß der lokalen Verschmelzung des thermplastischen Materials, insbesondere in der Berührungszone 108 an der Stelle der Berührung mit dem Kragen, aber auch an den übrigen Randbereichen der Metallplatte eine sehr gute Reinigung zwischen den zu verschweissenden Flächen vorausgeht. Außerdem erlaubt dieses Verfahren ein sicheres Eindringen des plastischen Materials in die mikro-
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skopis'chen Unebenheiten der Metalloberfläche, was den Beginn der Haftung zur Folge hat. Schließlich zerstört diese Verschmelzung nicht den Zusammenhalt des Kunststofforgans. Nach Aufhebung der äußeren Beanspruchung bestehen die inneren mechanischen Beanspruchungen ebenso wie die für die plastische' .Masse charakterisierenden Schrumpfungen fort und es ergibt sich eine zusammenhaltende und stabile Anordnung. Die Wirkung des Ultraschalles erstreckt sich jedoch nicht auf die Gewindegänge, so daß die beiden Teile des Kunststofforgans lösbar bleiben.
Durch sorgfältige Wahl der Abmessungen der beiden Teile des Kunststofforgans und der Arbeitsbedingungen bei der Behandlung mit Ultraschall kann jedoch wahlweise auch die lokale Verschmelzung zwischen den Gewindegängen der beiden Teile erzielt werden, um ein Lösen des Gewindes zu verhindern.
Wenn die in Mg. 6 gezeigte Stellung erreicht ist, d. h., wenn der Kragen 6 in den Kopf der Schraube 101' eingedrungen ist, wird der Ultraschallgenerator abgeschaltet und die Schraubvorrichtung bringt ein letztes Drehmoment auf, um das Eindringen des Kragens 6 zu vervollständigen und gleichzeitig ohne jede weitere Hilfsmaßnahme ein Abkühlen der erweichten. Zone unter hoher innerer Beanspruchung zu gewährleisten.
Das Verfahren nach der Erfindung kann auch auf die Vereinigung zweier übereinander liegender Folien oder Metallplatten 200 und 20O1 mittels eines Kunststofforgans angewendet werden (Fig.7):
Bei diesem Beispiel umfaßt das Kunststofforgan eine Schraube 201 · und eine mit einem Blindloch versehene Mutter 201'', wobei die erstere mittels Haltestiften 202 der "Nase" gehalten wird und die Mutter durch Mitnehmer 204 am Kopf 205 der Schraubvorrichtung verdreht wird. Bei diesem Beispiel ist an der Schraube 201' eine Zentrierschulter 206 vorgesehen.
Die Anwendung der Erfindung ist nicht allein auf die Deckel von Konservendosen beschränkt. Sie kann auf Platten und Folien aller Art wie auch auf Hohlkörper angewendet werden, wie sie in der
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Verpackungsindustrie oder in anderen technischen Gerieten verwendet werden.
Obwohl die beschriebenen Beispiele sich sämtlich auf die Verbindung eines Kunststofforgans mit einer Metallplatte oder Folie beziehen, ist die Erfindung nicht auf eine solche Paarung beschränkt; das Metall kann z.B. durch ein oder mehrere Teile aus Kunststoff ersetzt sein, die einen Erweichungspunkt haben, der sich von demjenigen des diese Teile durchringenden Kunststoff organs wesentlich unterscheidet. Dasselbe gilt auch für aus verschiedenen Materialien bestehenden Platten. In all1 diesen Fällen ist es auch möglich, die Verbindungsorgane als Nieten zur Verbindung einer oder mehrerer Platten auszubilden.
57VIII -Ansprüche-
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Claims (7)

Ansprüche
1. Verfahren zur hermetisch abdichtenden Befestigung eines Kunststofforgans in einer in einer Platte oder starren Folie vorgesehenen Öffnung, dadurch gekennzeichnet , daß das Kunststoff organ zwei gesonderte Teile (1'/I11; 101', 101"; 201',20I11) umfaßt und daß diese Teile durch die Öff- . nung (5) hindurch, dadurch miteinander verbunden werden, daß der Rand (6) der Öffnung zwischen den Rändern der beiden Teile des Organs unter dosierter Krafteinwirkung auf diese Teile eingefaßt wird, daß das Organ bei aufrechterhaltener, durch die Kraft erzeugter innerer Spannung zwischen den beiden Teilen durch Ultraschall aufgeheizt wird und daß es zur endgültigen Verbindung der beiden Teile einer weiteren Krafteinwirkung un~ terzogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die weitere Krafteinwirkung unmittelbar nach der Ultraschallbehandlung beginnt.
3· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die weitere Krafteinwirkung vor Beendigung der der Ultraschallbehandlung beginnt.
4· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Krafteinwirkungen durch Verschrauben der beiden Teile (1',I11; 101',10I11; 201', 201'f) des Kunststofforgans mit jeweils konstantem Moment aufgebracht werden.
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5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 Ms 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Rand (6) der dicht zu verschließenden Öffnung (5) vor dem Einsetzen des Kunststofforgans hochgezogen wird, um einen Kragen zu bilden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 "bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß eines der beiden Teile (101*, 101 "; 201·, 201·') des Kunststofforgans vor deren Verbindung mit einer Zentrierschulter (106,206) versehen wird.
7. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Schraubvorrichtung (11;105;205), deren Kopf eine mit einem Bereich (9) eines (1"; 101"; 201") der Teile (1',I11; 101·, 101!·; 201',201'f) des Kunststofforgans zusammenwirkenden Mitnahmevorrichtung (10; 104;204) aufweist, sowie einen Ultraschallgenerator (13; 1O3;2O3), dessen schwingender Teil ein Halteglied (12;102;202) aufweist, das zum Festhalten des anderen Teiles (1 *,101·; 201) des Kunststofforgans beim Aufbringen einer Kraft auf das eine Teil (1 " ;101 " ;201'') dient.
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