DE2165620C3

DE2165620C3 - Vorrichtung zum flächenmässigen Ultraschallverschweissen kunststoffhaltiger oder kunststoffbeschichteter Folien

Info

Publication number: DE2165620C3
Application number: DE2165620A
Authority: DE
Inventors: Hitoshi Shukuya; Kanji Tsuchiya
Original assignee: Daiichi Jitsugyo Co Ltd
Current assignee: Daiichi Jitsugyo Co Ltd
Priority date: 1971-12-30
Filing date: 1971-12-30
Publication date: 1978-12-07
Also published as: DE2165620A1; DE2165620B2

Description

Es konnte festgestellt werden, daß bei einer gemäß der Erfindung verbesserten Vorrichtung zum Versiegeln bzw. Verschweißen in Betracht kommender Werkstücke keine Verbrennungen infolge einer Überdosierung der Ultraschallenergie auftieten, auch wenn der Verbundstoff aus zwei oder mehr Schichten mit gleichmäßiger Dicke besteht oder sogar, wenn das zu verschweißende Material eine unterschiedliche Dicke aufweist oder wenn eine bestimmte Unregelmäßigkeit auf der Oberfläche des zu verschweißen- »o den folienaitigen Verbundstoffs infolge seines Aufbaus aus zwei oder vier Schichten vorhanden ist

In den Fig. 1 bis 8 ist der Gegenstand der Erfindung an Hand einiger Ausführungsbeispiele dargestellt, welche nachstehend im einzelnen näher erläutert sind. Es zeigt

F i g. 1 Verbrennungsstellen im Inneren eines Probematerials,

F i g. 2 einen Querschnitt durch das Probematerial längs der Linie II-II in F i g. 1, so

F i g. 3 eine Aufsicht auf ein Gegenwerkzeug,

F i g. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV durch das Werkzeug nach F i g. 3,

F i g. 5 den Zuschnitt eines Verpackungsbehälters aus weiterverarbeitetem Papier, »5

F i g. 6 eine perspektivische Darstellung des aus dem Zuschnitt nach F i g. 5 aufgefalteten bzw. aufgestellten Behälters der F i g. 5,

F i g. 7 die Verschweißung des Bodenteils des Verpackungsbehälters, und 3«

F i g. 8 die Verschweißung der Öffnung des Vsrpackungsbehälters.

Die verbesserte Vorrichtung zum Verschweißen von Verbundmaterialien gemäß der Erfindung weist ein die Uitraschallschwingungen abgebendes Werkzeug, nämlich die Sonotrode, und ein Gegenwerkzeug, den Amboß, auf, von denen beide oder eins von ihnen profilierte Oberflächen besitzen, die mit der unregelmäßigen Oberfläche der zu versiegelnden bzw. zu verschweißenden Folie übereinstimmen. Unter profilierten Oberflächen sind unregelmäßige bzw. Ausnehmungen aufweisende Oberflächen zu verstehen, die mit den unregelmäßigen Oberflächen der Werkstücke übereinstimmen bzw. die infolge einer unterschiedlichen Dicke des zu schweißenden Verbundmaterials eine unterschiedliche Höhe haben. Die profilierten Oberflächen der Werkzeuge können Vorsprünge und konkave Teile aufweisen, die zueinander komplementär sind. In bestimmten Fällen kann nur eines der Werkzeuge eine derart profilierte Oberfläche aufweisen, die mit der Oberflächenunregelmäßigkeit eines der zu verschweißenden Werkstücke übereinstimmt. Durch die profilierten Oberflächen der Werkzeuge erreicht man eine gleichmäßige Ausbreitung bzw. einen gleichmäßigen Druck an den Teilen der zu verschweißenden Werkstücke.

Der zu verwendende Verbundstoff kann je nach den Erfordernissen aus Papier, Zellophan, Aluminium oder einer Kombination hiervon bestehen. Die thermoplastische Kunstharzschicht, mit der die Folie überzogen ist, kann aus Polyäthylen, Polystyren, Polyvinylacetat, Polyvinylchlorid, Polyvinylalkohol, Methacrylsäureester, Polycarbonat usw. bestehen. Diese Stoffe können je nach dem beabsichtigten Anwendungsfall und den Eigenschaften der Trägerfolie ausgewählt werden. Die Dicke der Schicht kann 10 bis 100 μ auf einer Seite betragen. Die anorganischen Materialien, die als Substrat für folienartige Verbundstoffe verwendet werden, können Kalziumsulfat, Talkum, Kohlenstoff, Bentonit, Kieselerde, in Form von Mikropulver oder in kolloidem Zustand sein. Die anorganischen Materialien können einzeln oder in Kombination verwendet werden. Das Substrat wird dadurch hergestellt, daß 70 bis 95 Gewichtsprozent der zuvor erwähnten anorganischen Materialien in 5 bis 30 Gewichtsprozent thermoplastischem Kunstharz gleichmäßig dispergiert werden.

Die Art und Menge der thermoplastischen Kunstharze und der anorganischen Materialien, die gemischt werden, hängen von den verwendeten thermoplastischen Kunstharzen und dem Verwendungszweck des Verbundstoffs ab.

Nachstehend sind einige Versuchsbeispiele näher erläutert.

Beispiel 1

F i g. 1 zeigt Verbrennungsstellen im Inneren eines als Probematerial verwendeten Verbundstoffs, der mit Ultraschallschwingungen verschweißt wurde. Der gezeigte Verbundstoff besteht aus einem Laminat aus zwei rechteckigen, mit Polyäthylen überzogenen Papierschichten (im folgenden als PE-Laminatpapier bezeichnet), auf das zwei Schichten eints PE-Laminatpapiers aufgelegt sind, so daß ein vertiefter Teil gebildet wird, der ein gleichseitiges Dreieck in der Mitte des rechteckigen PE-Laminatpapiers begrenzt. Bei diesem Versuch wurde als Ultraschallgeber ein stabförmiges Werkzeug mit einer Breite von 6 mm verwendet. Die Frequenz betrug 28 kHz, der statische Druck 36 kg/cm², die Druckdauer 1 see und die Haltezeit nach der Druckbeaufschlagung 0,8 see.

In den F i g. 1 und 2 bezeichnet 1 einen ^Schichten-Teil eines PE-Laminatpapiers, 2 einen 2-Schichten-Teil des PE-Laminatpapiers (der eine Vertiefung in Form eines gleichseitigen Dreiecks bildet), 3 eine Verbrennungsstelle im Inneren des 4-Schichten-Teils und 4 eine Verbrennungsstelle im Inneren des 2-Schichten-Teils des Laminats. Die acht Bereiche j bis h des Laminatpapiers wurden einer Ultraschallschweißung ausgesetzt. Zwischen den Bereichen an der Oberseite des 4-Schichten-Teils besteht die Beziehung a> h, während zwischen den Bereichen an der Oberseite des 2-Schichten-Teils die Beziehung a < h besteht.

Betrachtet man die Verteilung der Verbrennungsstellen nach der Druckbeaufschlagung, so zeigt sich, daß bei den 2- und 4-Schichten-Teilen die Größe der Verbrennungsstellen mit zunehmender Oberflächengröße abnimmt, und daß auf der Mittellinie des gleichseitigen Dreiecks auf dem 2-Schichten-Teil zwei Verbrennungsstellen auftreten. Dies erklärt, daß die an der Grenzlinie (die das gleichseitige Dreieck begrenzt und dessen Rand eine Stelle unterschiedlicher Dicke des Papiers darstellt) die erzeugte Hitze sich in Richtung der Mittellinie ausgebreitet und dort konzentriert hat. Dies bedeutet, daß, je länger die Ausbreitungsstrecke ist, desto größer ist auch die Wärmeableitung während der Ausbreitung, was zu einer kleineren Verbrennungsstelle führt. Dies gilt auch für den 4-Schichten-Teil. Der Grund, weshalb die Größe der Verbrennungsstellen in dem 4-Schichten-Teil größer ist als in dem 2-Schichten-Teil, ist darin zu sehen, daß der Auflagedruck in ersterem größer als in letzterem ist; dies führt zu einer geringeren Wärmeableitung als in dem 2-Schichten-Teil. Es wurde auch festgestellt, daß die

5 6

spezifische Wärme von Polyäthylen 0,55 cal/g° be- Laminatteils übereinstimmte. Die Frequenz der Ultraträgt, während die von Papierfasern größer als schallschwingungen betrug 15, 19 und 28 kHz. Es 0,33 cal/g° ist, so daß ersteres eine größere Elastizi- wurde festgestellt, daß bei höherer Frequenz die Vertat als letzteres aufweist und dadurch eine größere brennungen und die Verformung geringer und die Ultraschallabsorption. Dies wiederum führt zu einem 5 Schälfestigkeit größer sind,
schnelleren Temperaturanstieg. Wenn die Temperatur . .
108 bis 12O⁰C erreicht, schmilzt die Polyäthylen- Beispiel J
schicht und wenn die Temperatur den Brennpunkt Es wurde ein Laminat hergestellt, das aus zwei bei etwa 375° C erreicht, werden die Papierfasern Schichten eines Verbundmaterials aus 90 Gewichtsverbrannt. Dieser Versuch zeigte, daß Verbrennun- io prozent Gips in Mikropulverform und 10 Gewichtsgen vor allem in dem mittleren Verschweißungsteil prozent Polyäthylen besteht. Das Verbundmaterial bzw. dem mittleren Teil des Laminats auftreten, wurde mittels einer Sonotrode und eines flachen während an der Oberfläche der Verschweißungsteile, Ambosses geschweißt, deren Berührungsflächen entdie mit dem Ultraschallgeber und dem Gegenwerk- sprechend der unregelmäßigen Oberflächen der zu zeug in Berührung stehen, keine Verbrennungen auf- 15 schweißenden Teile profiliert war. Bei diesem Vortreten (Innenerhitzung). Anschließend wurde ein gang betrug die Frequenz der Ultraschallschwingun-Versuch durchgeführt, bei dem ein Gegenwerkzeug gen jeweils 15, 19 und 28 kHz. Das Ergebnis zeigte, verwendet wurde, das ein kreisförmiges Loch mit daß bei höherer Frequenz die Schmelzlöcher und die einem Durchmesse; von 2 mm und einer Tiefe von Verformung abnehmen und die Schälfestigkeit zu-0,5 mm aufwies. Es wurde festgestellt, daß Verbren- 20 nimmt.

nungen an einer der Lochmitte entsprechenden Stelle Beispiel 4
auftreten. Ein weiterer Versuch mit einem Ultraschallgeber mit einer Nut von 0,6 mm Breite und F i g. 3 zeigt einen Amboß mit einer profilierten 0,3 mm Tiefe in der Oberfläche, die mit den zu ver- Oberfläche und F i g. 4 einen Querschnitt längs der schweißenden Teilen des Laminats in Berührung 25 Linie IV-IV in F i g. 3. F i g. 5 zeigt einen Behälter stehen, zeigte, daß Verbrennungen an den Stellen aus einem folienartigen Verbundstoff in ungefaltetem auftreten, die der rechteckige Hochdruckbereich um- Zustand; die Falzlinien sind gestrichelt gezeigt, gibt und die dem Mittelteil entsprechen. Bei einem F i g. 6 ist eine Darstellung, aus der die verschiedenen Verbundstoff, bei dem anorganische Materialien in Hcrstellungsschritte des Behälters hervorgehen, großen Mengen in thermoplastischem Kunstharz 30 F i g. 7 zeigt den Behälter, dessen Boden zu vergleichmäßig dispergiert sind, wurden keine Verbren- schweißen sein wird, und F i g. 8 zeigt den Behälter, nungen festgestellt, da derartige Materialien ther- dessen obere öffnung zuzuschweißen sein wird,
misch nicht leiten, wogegen ein Loch festgestellt Wenn der in F i g. 5 gezeigte Zuschnitt, wie in wurde, dessen Stelle der Verbrennungsstelle ent- F i g. 6 gezeigt, gefaltet ist, kann die Verschweißung spricht, die im vorhergehenden Falle auftrat. 35 leicht durchgeführt werden, da die zu verschweißen-

Aus diesen Feststellungen wurde die Erkenntnis den Teile nur aus zwei Schichten bestehen, wobei die

gewonnen, daß es notwendig ist, daß, wie zuvor be- Kante 5 an der Kante 6 befestigt wird,

schrieben, profilierte Oberflächen an der Sonotrode Danach werden die Teile 7 und 8 nach innen und

und deren Amboß vorgesehen werden, die mit der dann die Zungen 9 und 10 darüber gefaltet und dann

unregelmäßigen Oberfläche der zu verschweißenden 40 werden die 4-Schichten-Teile und die 2-Schichten-

Teile in Berührung stehen, um dadurch Verbren- Teile, bestehend aus den Zungen 9 und 10, gefaltet,

nungsstellen oder Schmelzlöcher zu verhindern und um den Boden des Behälters zu bilden. Auf diese

eine hohe Zuverlässigkeit der Schweißverbindung Weise bildet der Boden eine unregelmäßige Fläche

sicherzustellen. unterschiedlicher Dicke der gefalteten Teile. Die

Außerdem wurde festgestellt, daß die Tiefe der 45 Ultraschallschweißung wurde, wie aus F i g. 7 er-Ausnehmungen bzw. profilierten Teile in der Ober- sichtlich, durchgeführt, wobei ein Amboß gemäß fläche der Werkzeuge großen Einfluß auf das F i g. 3 verwendet wurde, der eine Auflagefläche 13 Schweißergebnis hat. Es ist wesentlich, daß die Kan- für zwei Papierschichten und eine Auflagefläche 14 ten der Ausnehmungen bzw. Profilierungen einen be- für vier Papierschichten aufweist,
stimmten Radius aufweisen. Wenn eine solche Kante 5° Wie aus F i g. 4 hervorgeht, besteht eine Höheneinen spitzen Winkel bildet, werden die Ultraschall- differenz G zwischen den Auflageflächen 13, 14 und schwingungen reflektiert, wodurch eine Verbrennung den Vorsprüngen 15 (Höhenumfangsdifferenz) ar oder ein Schmelzloch an ihrer Brennpunktstelle ver- gegenüberliegenden Enden der Auflagefiächen 14. ursacht wird. Die Höhendifferenz E ist kleiner als die Höhen-

Das Gegenwerkzeug der Sonotrode, der Amboß, 55 differenz G. Die Vorsprünge 15 dienen dazu, der

sollte vorzugsweise aus Metall mit guter Wärmeleit- Druck an diesem Teil zu erhöhen, um dadurch eine

fähigkeit bestehen. größere Haftkraft zu erhalten.

Die Frequenz der Ultraschallschwingungen sollte Schließlich wurde die öffnung des Behälters ge-

wenigstens über 25 kHz liegen. maß F i g. 8 mittels der Sonotrode 16 und des Am-

. 60 bosses 17 zugeschweißt. Da der zu schweißende

Beispiel Z _Tei, ^_n _der öffnung des Behälters die Verbinduni

Es wurde P£-Laminatpapier verwendet, das an von 4-Schichten-Teilen mit 2-Schichten-Teilen erforder Oberseite mit einer Polyäthylenschicht mit einer dert, die aus den Zungen 11 und 12 bestehen, treter Dicke von 30 μ und einer Dicke von 20 μ an der somit eine unterschiedliche Dicke bzw. unregelmäßige Rückseite überzogen war, was einem Gewicht von 65 Oberfläche auf. Es wurden daher Werkzeuge 16 unc 230 g/m² entspricht. Es wurde ein Amboß mit einer 17 verwendet, deren Stirnfläche der unterschiedlicher profilierten Oberfläche verwendet, die mit der un- Dicke bzw. der Oberflächenunregelmäßigkeit anregelmäßigen Oberfläche des zu schweißenden gepaßt ist

Mit Hilfe der erfindungsgemäß ausgebildeten Schweißvorrichliing läßt sich eine kürzere Schweißzeit bei größerer Zuverlässigkeit der Schweißverbindung erreichen, ohne daß Verbrennungen oder Schmelzlöcher an den geschweißten Teilen auftreten. Als zu schweißende Materialien kommen Verbund-

stoffe aus einem mit einem thermoplastischen Kunstharz überzogenen Substrat oder papierartige Materialien, bei denen ein anorganisches Material in großen Mengen gleichmäßig in thermoplastischem Kunstharz dispergiert ist, und die unregelmäßige Oberflächen aufweisen, in Betracht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

2 185 620 1 2 nungen oder zu durchgeschmolzenen Löchern führt, Patentansprüche: hervorgerufen wird. Aus diesen Gründen wurde die Anwendung von

1. Vorrichtung zum flächenmäßigen Ultra- Ultraschallschwingungen zum Versiegeln von Pakschallverschweißen kunststoffhaltiger oder kunst- 5 kungen bzw. zur Herstellung von Verpackungsbehälstoffbeschichteter Folien aus im übrigen wenig- tern aus weiterverarbeitetem Papier als ungeeignet stens verhältnismäßig schwer plastifizierbaren angesehen und man wandte daher die externe Er-Stoffen mit im Verschweißungsbereich unter- hitzungsmethode, das heißt, die Zuführung der beschiedlicher Gesamtdicke zwischen einer Sono- nötigten Wärme von außen her an.

trode und einem Amboß, dadurch gekenn- io Diese vorerwähnte Methode hat jedoch den Nachzeichnet, daß wenigstens eines der beiden teil, daß automatisch arbeitende Vorrichtungen sehr Ultraschall-Werkzeugteile (16, 17) an einer dem teuer sind, daß deren Betrieb relativ kompliziert ist Werkstück zugekehrten Seite eine der unter- und eine hohe Erfahrung erfordert, was zu einer nicht schiedlichen Gesamtdicke der Folien ent- gleichbleibenden Qualität der Produkte führt. Außersprechende Profilierung aufweist »5 dem besteht bei der externen Erhitzungsmethode die

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch Gefahr, daß die äußere Erscheinungsform der Progekennzeichnet, daß die Profiltiefe (G) im Werk- dukte infolge einer nicht einwandfreien Verzeug und der Dickenunterschied einander gleich schweißung beeinträchtigt wird.

sind. Aus der USA.-Patentschrift 3 468 731 ist ein Ver-

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da- so fahren bzw. eine Vorrichtung zum Ultraschallverdurch gekennzeichnet, daß die Kanten der Profi- schweißen von aus thermoplastischem Kunststoff belierung Abrundungen aufweisen. stehenden Tuben bekannt. Das zu verschweißende

Material besteht dabei entweder vollständig aus Polyäthylen oder aus einer innenseitig mit Polyäthy-

s5 len beschichteten Folie. Die zu verschweißenden

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Teile weisen dabei jedoch keinerlei Unregelmäßigflächenmäßigen Ultraschallverschweißen kunststoff- keit hinsichtlich der Gesamtdicke im Schweißhaltiger oder kunststoffbeschichteter Folien aus im bereich auf, so daß auch die bereits genannten übrigen wenigstens verhältnismäßig schwer plastifi- Nachteile nicht auftreten. Wie sich aus der Bezierbaren Stoffen mit im Verschweißungsbereich 30 Schreibung ergibt, fließt voll plastifizierbares Kunstunterschiedlicher Gesamtdicke zwischen einer Sono- Stoffmaterial leicht unter den Schweißwerkzeugen trode und einem Amboß. weg, weshalb in diesen entlang der Schweißbahn eine

Beim Verschweißen von kunststoffbeschichteten nutförmige Ausnehmung vorgesehen werden soll, in oder kunststoffhaltigen Folien aus im übrigen nicht welche der überschüssige plastifizierte Kunststoff ein- oder nur schwer plastifizierbaren Stoffen, wie z. B. 35 fließen kann. Diese Ausnehmung entspricht aber in Papier od. dgl. oder anorganischem Material, ergeben Anordnung und Tiefe keinem ursprünglich vorhandesich besondere Schwierigkeiten, die mit der mangel- nen Unterschied in der Gesamtdicke des zu verhaften Wärmeleitfähigkeit bzw. der mangelnden schweißenden Materials und dient auch nicht dazu, Plastifizierbarkeit zusammenhängen. Deshalb ist es dadurch bei Mehrschichten-Folien der eingangs gebisher zumindest in der Praxis nicht möglich ge- 40 nannten Art hervorgerufene Verbrennungen oder wesen, derartige Folien mittels Ultraschallenergie Löcher zu vermeiden.

flächenmäßig zu verschweißen, insbesondere wenn Aus der USA.-Patentschrift 3 483 073 ist es bedie aufeinanderliegenden Folien im Bereich der zu kannt, kunststoffbeschichtetes Nylongewebe mittels verschweißenden Fläche eine unterschiedliche Ge- Ultraschall zu verschweißen. Bei diesem Mehrsamtdicke aufweisen. Dabei kann es sich um unter- 45 schichtenstoff treten von vornherein nicht ohne weischiedliche Folienstärken, Oberflächenunebenheiten teres die beschriebenen Probleme auf. Insbesondere oder insbesondere um den Fall handeln, daß eine ist dieser Druckschrift nicht die Verschweißung von oder mehrere der zu verschweißenden Folien im kunststoffbeschichteten bzw. kunststoffhaltigen Folien Schweißbereich einen Rand aufweisen, wie das z. B. aus im übrigen schwer oder nicht plastifizierbaren oft bei zusammengefalteten Verpackungsstoffen, wie 5° Stoffen, bei denen im zu verschweißenden Bereich Falttüten u. dgl., der Fall ist. eine unterschiedliche Gesamtdicke auftritt, zu ent-

Es hat sich weiterhin gezeigt, daß die Anwendung nehmen.

von Ultraschallenergie zum Versiegeln bzw. Ver- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das

schweißen von Verpackungsbehältern aus weiterver- Ultraschallschweißen auch für derartige Stoffe an-

arbeitetem, mit einer thermoplastischen Kunstharz- 55 wendbar zu machen und eine Vorrichtung zu schaf-

schicht überzogenem Papier nicht geeignet ist, da das fen, mittels derer eine einwandfreie flächenmäßige

Papier ein schlechter Wärmeleiter ist und, wenn es Verschweißung in Bereichen mit unterschiedlicher

erhitzt wird, verbrennen kann. Gesamtdicke ermöglicht wird.

Die Schwierigkeiten beim Verschweißen von Folien Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung mit unregelmäßigen Stärken und ungleichmäßigem 60 dadurch, daß wenigstens eines der beiden Ultraschall-Aufbau aus zwei oder mehreren Schichten weiterver- Werkzeugteile an einer dem Werkstück zugekehrten arbeiteten Papiers beruhen bei der Anwendung von Seite eine der unterschiedlichen Gesamtdicke der Ultraschallschwingungen auf einer ungleichmäßigen Folien entsprechende Profilierung aufweist,
statischen Kraftbelastung, verbunden mit einer un- Vorteilhafterweise sind die Profiltiefe im Werkzeug gleichmäßigen Ausbreitung der Ultraschallschwin- 65 und der Dickenunterschied einander gleich. Die Kangungen, so daß eine ungleichmäßige Erhitzung, eine ten der Profilierung weisen zweckmäßigerweise Abzum Teil schlechte Verschweißung oder sogar eine rundungen auf. Dadurch lassen sich, wie die Erfah-Überhitzung an bestimmten Stellen, die zu Verbren- rung zeigte, optimale Ergebnisse erzielen.