DE10244672A1

DE10244672A1 - Verfahren und Maschine zum Ultraschallverschweißen zweier Folien

Info

Publication number: DE10244672A1
Application number: DE10244672A
Authority: DE
Inventors: Michel Barikosky
Original assignee: CLIP OFF NANTERRE; CLIP-OFF
Current assignee: CLIP OFF NANTERRE; CLIP-OFF
Priority date: 2001-09-25
Filing date: 2002-09-24
Publication date: 2004-04-01
Also published as: FR2829961B1; FR2829961A1

Abstract

Gemäß dem Verfahren werden die beiden Folien und ein Amboß vor eine Sonotrode bewegt, wobei der Amboß wenigstens einen Schweißprägestempel (10) trägt, der sich entlang einer Folge von, bezogen auf die Laufrichtung der Folien, im wesentlichen querverlaufenden und im wesentlichen längsverlaufenden Richtungen erstreckt. Man gleicht die Dichte der von den Folien längs der genannten Richtungen aufgenommenen Energie mit Hilfe von Energiesenken (22) im wesentlichen aneinander an. DOLLAR A Die Erfindung ist für die Herstellung von mit Verbandsmaterial gefüllten Verpackungsbeuteln besonders geeignet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Ultraschallverschweißen von wenigstens zwei Folien, von denen wenigstens eine ein thermoplastisches Material enthält.
Im weiteren Text werden die Ausdrücke "im wesentlichen longitudinal bzw. längsverlaufend" und "im wesentlichen transversal bzw. querverlaufend" systematisch durch "longitudinal bzw. längsverlaufend" und "transversal bzw. querverlaufend" ersetzt. Alle Segmente, Teile, ..., die als geradlinig beschrieben sind, sind tatsächlich als geradlinig oder leicht gekrümmt zu betrachten.
Der Stand der Technik befaßt sich in beachtlichen Maße mit diesem Schweißverfahrenstyp, bei welchem ein im wesentlichen zylindrischer Amboß, der eine Mehrzahl von erhabenen Mustern (oder Schweißprägestempeln) trägt, vor einem Ultraschallschwinger (im folgenden Sonotrode genannt) vorbeiläuft, der sich längs einer Mantellinie des Ambosses erstreckt, wenn dieser eine zylindrische Form hat. Die Sonotrode ist etwas von dem Amboß entfernt, um das Durchlaufen wenigstens zweier Folien zwischen dem Amboß und der Sonotrode zu erlauben. Im folgenden nehmen wir das Beispiel von zwei Folien. Diese Folien, die miteinander in Kontakt stehen, werden transportiert in gleitender Auflage auf dem Amboß, wobei die Laufrichtung senkrecht zur Achse des Schwingers liegt, der etwas entfernt von den Folien angeordnet ist. Beim Vorbeilaufen kommen die Folien in Kontakt mit den Stegen des Schweißmusters. Sobald sie unter der Sonotrode vorbeilaufen, induziert die Ultraschallstrahlung Schwingungen auf molekularem Niveau in das oder die thermoplastischen Materialien, wobei eine deutliche lokale Erwärmung an der Berührungsstelle der zusammenzufügenden Teile bewirkt wird, und zwar in den Bereichen der Folien, die mit den Stegen des Schweißprägestempels in Kontakt sind. Die Folge ist, daß die Folien längs der Schweißbereiche des Schweißprägestempels des Ambosses miteinander verschweißt sind.
Bei der Durchführung eines dieser Verfahren unter Verwendung eines Schweißprägestempels mit einer z.B. insgesamt rechteckigen Form hat es sich jedoch herausgestellt, daß mit einer relativ geringen Leistung (im Verhältnis zu einer mittleren Leistung, die im Falle eines solchen Verschweißens verwendet wird) die längsverlaufenden Abschnitte des Rechtecks verschweißt werden können, aber nicht die querverlaufenden Seiten, wenn die Leistung der von der Sonotrode gelieferten Leistung entspricht. Man versteht unter längsverlaufenden Seiten die parallel zur Laufrichtung liegenden Seiten und unter querverlaufenden Seiten die senkrecht zur Laufrichtung liegenden Seiten. Außerdem können bei Verwendung einer relativ hohen Leistung zwar die querverlaufenden Seiten verschweißt werden, die längsverlaufenden Seiten werden aber abgeschnitten.
Eine offensichtliche Idee zur Vermeidung dieses Nachteils wäre, die Leistung der Sonotrode beim Vorbeilaufen des Schweißprägestempels vor dieser zu variieren. Diese Lösung ist jedoch unrealistisch aufgrund von Schwierigkeiten bei der Ortsbestimmung; außerdem müßten die Änderungen der Leistung der Sonotrode extrem schnell erfolgen, was in Hinblick auf die energetische Trägheit einer solchen Maschine (die Folien laufen mit 200 Metern pro Minute vorbei) unmöglich ist.
Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, eine andere Lösung zur Energiemodulation längs des Schweißprägestempels vorzuschlagen.
Das US-Patent 3 939 033 lehrt, daß man, um ein schnelles Abnutzen der Stege eines Prägestempels zu vermeiden, der hier zum Abschneiden der zwei Folien dient und mit der Sonotrode in Kontakt steht, auf den Amboß zwei Halteflächen aufsetzen kann, die dieselbe Höhe haben wie die betrachteten Stege, wodurch das Aufschlagen der auf den Amboß schlagenden Sonotrode vermindert wird. Es wird außerdem auf den Stand der Technik bezug genommen, bei dem zwei Höhen von gleichzeitig auf der Ebene quer zur Laufachse angeordneten Stegen vereinigt sind, wobei die oberer Höhe dazu dient, die Folien zu schneiden, und die niedrigere, sie zu verschweißen.
Das französische Patent 1 591 159 lehrt, daß man zur Verringerung der zum Schweißen benötigten Energie, die (hier rechteckigen) Schweißprägestempel im Verhältnis zum Kopf der Sonotrode und zur Mantellinie des Ambosses ausrichten kann, damit kein Abschnitt des Musters parallel zum Kopf der Sonotrode angeordnet ist.
So betrifft die Erfindung der vorliegenden Anmeldung zunächst ein Verfahren zum Ultraschallschweißen von wenigstens zwei Folien, wobei man die zwei Folien und einen Amboß vor eine Sonotrode bewegt, wobei der Amboß wenigstens einen Schweißprägestempel trägt, der sich entlang einer Folge von bezogen auf die Laufrichtung der Folien im wesentlichen querverlaufenden und im wesentlichen längsverlaufenden Richtungen erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß man die Dichte der von den Folien längs der genannten Richtungen aufgenommenen Energie im wesentlichen aneinander angleicht.
Die vorliegende Erfindung liefert mehrere Verfahren, um die Energie längs des Schweißprägestempels in den zur Laufrichtung querverlaufenden und den längsverlaufenden Richtungen aneinander anzugleichen bzw. zu vereinheitlichen oder quasi anzugleichen. Diese Mittel nutzen die Tatsache, daß die Dichte der von den Folien aufgenommenen Energie abhängig ist von der von der Sonotrode gelieferten Leistung, von der der Sonotrode ausgesetzten Fläche, d.h. von der Folienfläche, die mit dem Schweißprägestempel in Kontakt steht, von der Sonotrodenexpositionszeit, d.h. von der Laufgeschwindigkeit der Folien, und von dem Abstand zwischen den Stegen und dem Kopf der Sonotrode. Diese Mittel ergeben sich in keinem Fall aus direkten Interpretationen der Ausführungen der zuvor genannten beiden Patente. Tatsächlich beschreibt das Patent 3 939 033 eine Möglichkeit, die mechanischen Wechselwirkungen zwischen dem Amboß und der Sonotrode über Halteflächen zu reduzieren und die Höhe der Stege in der Ebene quer zur Laufrichtung zu verwenden, um die beiden Folien entweder zu schneiden oder zu verschweißen. Das französische Patent 1 591 159 schlägt seinerseits eine Ausrichtung der Prägestempel in Bezug auf die Sonotrode und auf den Amboß vor, um die von der Sonotrode zum Schweißen benötigte Energie zu verringern.
Die vorliegende Erfindung umfaßt vier in Betracht gezogene Lösungen, um die längs des Prägestempels aufgenommene Energie anzugleichen.
Bei der ersten Ausführungsform des Verfahrens werden Energiesenken bzw. -fallen verwendet. Denn das auftretende Problem ergibt sich aus der Tatsache, daß die von der Sono trode gelieferte Energie konstant ist und die Dichte der von den in Kontakt mit den Stegen befindlichen Folien aufgenommenen Energie gleich der von der Sonotrode gelieferten Gesamtenergie E geteilt durch die Oberfläche der ausgesetzten Stege ist, wobei diese Stege alle die gleiche Höhe haben. Im Fall eines rechteckigen Prägestempels mit einer transversalen Breite l, bei dem die Seiten eine Breite e haben, ist die Dichte der von der querverlaufenden Seite aufgenommenen Energie also halb so groß wie diejenige der von den längsverlaufenden Abschnitten aufgenommenen Energie, was die zuvor gemachten Beobachtungen erklärt. Die Lösung sieht also vor, Energie außerhalb oder unmittelbar neben dem Prägestempel zu fangen bzw. aufzunehmen, um auf den querverlaufenden und längsverlaufenden Abschnitten des Prägestempels eine konstante Energiedichte zu erzielen. Dies wird dadurch erreicht, daß außerhalb oder nahe des Schweißprägestempels neue Stege auf dem Amboß hinzugefügt werden, und zwar mit derselben Höhe wie die Stege des Prägestempels, die so einen Teil der Energie zu sich hinziehen, um schließlich die Energie zu verringern, die den längsverlaufenden Abschnitten des Prägestempels zugeführt wird. Diese Energiesenken können in diesem Sinne auch als Dämpfungsglied charakterisiert werden. Üblicherweise fügt man Stege in Form von Streifen hinzu, die parallel zu den längsverlaufenden Abschnitten an jeder Seite des Prägestempels verlaufen, so daß die der Sonotrode ausgesetzte Stegoberfläche während des Vorbeilaufens immer konstant ist und zwar unabhängig davon, ob die querverlaufenden oder die längsverlaufenden Abschnitte des Schweißprägestempels vorbeilaufen.
Man kann diese neuen Stege auch nur an einer Seite des Prägestempels anordnen, wobei man selbstverständlich deren Breite verdoppelt, um dasselbe Ergebnis zu erhalten.
Man kann diese Streifen in Form von Stegen hinzufügen, die höher als diejenigen des Prägestempels sind, wobei deren Breite entsprechend verringert wird, da die Energiedichte auch vom Abstand der Stege zum Kopf der Sonotrode abhängt.
Man kann für diese neuen Stege dasselbe Material oder ein anderes Material als für die Stege des Schweißprägestempels verwenden.
Diese neuen Stege können sehr nahe am Schweißprägestempel angeordnet sein. Das Problem ist aber, daß die Folien dann auch an dieser Stelle verschweißt würden. Dieser Nachteil kann durch ein geeignetes Abschneiden der Folie nach dem Verschweißen vermieden werden. Man kann die neuen Stege des Schweißprägestempels auch entfernt anordnen, damit die Schweißnaht im Bereich des Schweißprägestempels nicht beeinträchtigt wird, wobei die Breite der Sonotrode ausreichend groß sein muß und das Abschneiden nach dem Verschweißen notwendig bleibt, um das Endprodukt zu erhalten.
Die Beschreibung dieser Lösung ist anwendbar auf alle Formen von Prägestempeln, die eine alternierende Folge von bezogen auf die Laufrichtung der Folien querverlaufenden und längsverlaufenden Abschnitten aufweisen, wobei diese Formen auch konzentrische oder nichtgeschlossene Formen umfassen können.
Bei der zweiten in Betracht gezogenen Ausführungsform wird der relative Abstand der Stege zum Kopf der Sonotrode genutzt, wobei die Dichte der von den Folien bei Berührung der Stege aufgenommenen Energie vom erwähnten Abstand abhängt. So schlägt diese Lösung vor, die Stege der querverlaufenden Abschnitte im Verhältnis zu denjenigen der längsverlaufenden Abschnitte zu erhöhen oder letztere im Verhältnis zu ersteren abzusenken, und zwar abhängig von der Energie, die man übertragen will, und unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die Folien die niedrigsten Stege nicht vollständig berühren werden. Da die aufgenommene Energie für näher an der Sonotrode angeordnete Stege höher ist, können die Dichten der von den querverlaufenden und längsverlaufenden Abschnitten aufgenommenen Energie gleich sein, wenn die Höhe der entsprechenden Stege wie zuvor erwähnt als Funktion der Breite der verschiedenen Stege angepaßt wird.
Da der Abstand der Stege zum Kopf der Sonotrode relativ ist, kann man eine andere Variante dieser letzten Lösung in Betracht ziehen. Diese bestünde darin, die Höhe der Sonotrode variieren zu lassen. Mit Hilfe eines Servomotors und auf dem Amboß angeordneten Fühlern kann man die Sonotrode so steuern, daß sie ihre Höhe in Abhängigkeit davon ändert, ob der Bereich des Ambosses, der sich unter ihr befindet, querverlaufende oder längsverlaufende Prägestempel trägt. So hebt sich die Sonotrode in dem Moment des Übergangs von einem querverlaufenden Bereich zu einem längsverlaufenden Bereich um eine bestimmte Höhe, um zu ihrer ursprünglichen Position zurückzukehren, sobald wieder in den querverlaufenden Bereich übergegangen wird, und so weiter. Dieser Höhenunterschied muß nicht zwangsläufig derselbe sein, wie derjenige der bei der ersten Variante dieser Lösung vorgesehen war, und zwar aufgrund des zuvor angesprochenen Kontaktproblems bei den Folien. Diese Ausführungsform ist vielleicht deshalb vorzuziehen, weil die Folien immer in vollständigem Kontakt mit den Stegen bleiben.
Bei der dritten Ausführungsform des Verfahrens versetzt man die Achse der Sonotrode und des Ambosses in Bezug auf die Laufachse der Folien. Bei dieser Ausführungsform steht die Achse der Sonotrode und des Ambosses in einem Winkel α zur Senkrechten der Laufachse. Es ist wichtig, anzumerken, daß die tangential zum Amboß liegende Laufachse, (eine Senkrechte zur Zylinderachse im Falle eines zylindrischen Ambosses), folglich weiterhin senkrecht zur Achse der Sonotrode verläuft. Die Prägestempel auf dem Amboß sind derart geändert, daß auf den Folien dasselbe Schweißnahtmuster wie vor dem Versetzten der Achse erzielt wird. Es gibt also von der Sonotrode aus gesehen keine querverlaufenden oder längsverlaufenden Abschnitte mehr und die Oberfläche der Stege im Einflußbereich der Schwingungen der Sonotrode bleibt aufgrund der verwendeten Geometrie konstant. Die Energiedichte ist folglich auf allen Abschnitten des Prägestempels konstant und erlaubt ein homogenes Verschweißen.
Bei der vierten Ausführungsform des Verfahrens ändert man die Laufgeschwindigkeit der Folien in Abhängigkeit von den Abschnitten des Ambosses, die im Einflußbereich der Sonotrode liegen. Wenn die Folien schneller unter der Achse der Sonotrode durchlaufen, nehmen sie nämlich weniger Energie auf. Ausgehend von einer vorgegebenen Laufgeschwindigkeit der Folien beim Passieren des querverlaufenden Bereichs des Schweißprägestempels beschleunigt man also das Vorbeilaufen, um bei einer höheren Geschwindigkeit während des Passierens des längsverlaufenden Bereichs des Prägestempels schnell zu stabilisieren, welcher Bereich folglich eine ge ringere Energie aufnimmt. Die Geschwindigkeit wird derart gewählt, daß die Energiedichte auf Höhe der längsverlaufenden Stege die gleiche wie für die querverlaufenden Stege ist. Dies ist möglich, denn wenn der längsverlaufende Abschnitt eine Gesamtenergie aufnimmt, die geringer als diejenige des querverlaufenden Abschnitts ist, ist dessen Oberfläche geringer, und man kann aus diesem Grund die Geschwindigkeiten so regeln, daß man identische Energiedichten erhält. Die Laufgeschwindigkeit der Folien wird anschließend verringert und auf der Anfangsgeschwindigkeit beim Passieren eines neuen querverlaufenden Bereichs (der zu dem ersten identisch ist) stabilisiert, und so weiter. Diese Geschwindigkeitsänderungen können vorteilhafterweise mit Hilfe eines Servomotors geregelt werden, wobei auf dem Amboß angeordnete Fühler verwendet werden, wie bei der zweiten Variante der zweiten Ausführungsform. Man muß die Prägestempel auf dem Amboß unter Berücksichtigung der Tatsache konzipieren, daß die Geschwindigkeitsänderungen ein sich von dem Prägestempel unterscheidendes Schweißmuster auf den Folien erzeugen.
Es sei darauf hingewiesen, daß man auch in Betracht ziehen kann, die Geschwindigkeit des Ambosses und die Geschwindigkeit der Folien gleichzeitig zu ändern, wodurch eine Änderung der Prägestempel vermieden wird.
Das Verständnis der zuvor dargestellten erfindungsgemäßen Lösungen wird mit Hilfe der folgenden Beschreibung verbessert, in der auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen:

– 1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der Vorrichtung zum Ultraschallverschweißen zweier Folien darstellt;
– 2 eine Draufsicht eines Schweißprägestempels des Ambosses gemäß 1 darstellt;
– 3 eine Draufsicht des Ambosses gemäß 1 mit Energiesenken darstellt;
– 4 eine Draufsicht darstellt, die das Schneiden der Folien zeigt, um das Schweißen durch die Energiesenken zu verhindern;
– 5 eine perspektivische Ansicht eines sich in der Höhe ändernden Profils eines Schweißprägestempels des Ambosses gemäß 1 darstellt;
– die 6a und 6b Höhenänderungen der Sonotrode zwischen den querverlaufenden und längsverlaufenden Bereichen eines Schweißprägestempels gemäß 1 im Profil darstellen;
– die 6c und 6d das Höhenprofil der Sonotrode gemäß den 6a und 6b als Funktion der Bereiche des Ambosses gemäß 1 zeigen, die sich unter diesem befinden;
– 7a eine Draufsicht der Vorrichtung zeigt, in der die Sonotrode und der Amboß bezogen auf die Laufachse der Folien geneigt sind;
– Fig. 7b ein praktisches Beispiel der Ausführungsform gemäß 7a zeigt;
– die 8a und 8b die Änderungen der Laufgeschwindigkeit der Folien als Funktion derjenigen Bereiche des Ambosses gemäß 1 zeigen, die unter der Sonotrode durchlaufen.

Es ist anzumerken, daß sich die beigefügten Zeichnungen auf Schweißprägestempel in Form von insgesamt rechteckigen Beuteln bzw. Taschen beziehen. Die in Betracht gezogenen Lösungen sind selbstverständlich auf alle Arten von Prägestempeln anwendbar, die in Bewegungsrichtung eine Folge von querverlaufenden und längsverlaufenden Abschnitten aufweisen.
Die in 1 dargestellte Schweißvorrichtung erlaubt es, zwei Folien wie im folgenden beschrieben hier für die Herstellung von Verpackungsbeuteln zu verschweißen, die zur Aufnahme von Verbandsmaterial dienen.
Die Schweißvorrichtung enthält zwei Rollen 1, 2 für die Zufuhrt von Folien 3, 4, eine Sonotrode 5, einen Schweißamboß 6, ein Paar Umlenkrollen 8, 8' und ein Paar Antriebsrollen 9, 9' für die Folien 3, 4.
Der Schweißamboß 6 besteht aus einem Zylinder mit der Achse 11, ist drehbar gelagert und trägt eine Mehrzahl von erhabenen Schweißprägestempeln 10 auf seiner Zylinderaußenwand.
In der folgenden Beschreibung sind die Schweißprägestempel 10 in einer Ebene entwickelt. Sie sind nebeneinander senkrecht zur Achse 11 angeordnet, wobei sie durch einen Schweißabstand ρ_s voneinander getrennt sind. Jeder Prägestempel 10 weist hier vier Seiten 12-15 auf, die eine Mehrzahl von Schweißstegen 16 enthalten, die insgesamt geradlinig verlaufen und insgesamt ein Rechteck bilden, in dessen Innenraum sich eine rechteckige zentrale Vertiefung 18 befindet, die es ermöglicht, daß das zu verpackende Produkt beim Schweißen zwischen den beiden Folien 3, 4 angeordnet werden kann.
Die zwei Seiten 12, 14 erstrecken sich insgesamt quer zur Laufrichtung 7 der Folien 3, 4 und die beiden Seiten 13, 15 erstrecken sich insgesamt längs zur Laufrichtung 7. Die Schweißprägestempel 10 des Ambosses 6 haben hier alle die gleiche Form.
Die Sonotrode 5 erstreckt sich längs einer Mantellinie 19 des Ambosses 6 in einem vorgegebenen Abstand von dem Amboß 6, der das Durchlaufen der Folien 3, 4 zwischen der Sonotrode 5 und dem Amboß 6 erlaubt.
Die Folien 3, 4, die auf den Zuführrollen 1, 2 aufgewickelt sind, bestehen aus einem zum Ultraschallverschweißen geeigneten Material, wobei wenigstens eine ein thermoplastisches Material enthält. Sie werden mit Hilfe der Zuführrollen 1, 2, abgerollt, mit Hilfe der Umlenkrollen 8, 8' aneinander angenähert und zwischen den beiden Antriebsrollen 9, 9' eingespannt, so daß sie folglich miteinander in Kontakt sind und sich längs einer Ebene P erstrecken, die tangential zum Amboß liegt und die Mantellinie 19 enthält. Unter Einwirkung der Antriebsrollen 9, 9' werden die Folien 3, 4 gleichzeitig bewegt, so daß sie in der Ebene P in in gegenseitigem Kontakt an der Sonotrode 5 in Richtung 7 vorbeilaufen.
Gleichzeitig zum Antrieb der Folien 3, 4 versetzt man den Amboß 6 in Richtung 7' in Rotation, und zwar mit einer Antriebsgeschwindigkeit, die nicht unbedingt gleich der Laufgeschwindigkeit der Folien 3, 4 ist.
Während des relativen Vorbeilaufens kommen die beiden Folien 3, 4 vorübergehend in Kontakt mit den Stegen 16 des Ambosses 6, wobei es sich von selbst versteht, daß die Folie 3 direkten Kontakt und die Folie 4 indirekten Kontakt hat. Sobald sie unter der Sonotrode 5 durchlaufen, werden sie einer im wesentlichen längs zur Mantellinie 19 gerichteten Ultraschallschwingung ausgesetzt, wobei die Schwingung eine Molekülschwingung des Materials ausschließlich in denjenigen Bereichen der beiden Folien 3, 4 hervorruft, die mit den Schweißstegen 16 in Kontakt kommen. Diese Molekülschwingung bewirkt, daß die Folien 3, 4 entlang der oben erwähnten ausgesetzten Bereiche erwärmt und verschweißt werden. Das Ergebnis ist, daß die beiden Folien mit einem dem Schweißprägestempel gemäß 2 entsprechenden Muster verschweißt vorliegen.
Während des Schweißens bringt man zwischen den beiden Folien 3, 4 das zu verpackende Produkt ein.
Jedoch ist das so beschriebene Schweißen noch nicht so perfekt, wie die es in der Einleitung dargestellt ist.
Das ergibt sich beim Betrachten der Schwingungseinflußbereiche 20, 21 der Sonotrode 5 auf dem Prägestempel 10 der 2. Die beiden Bereiche 20, 21 sind beide in 2 dargestellt, aber man muß berücksichtigen, daß der Prägestempel 10 zu einer bestimmten Zeit dem Bereich 20 ausgesetzt ist und dann bei weiterer Rotation des Ambosses 6 der Prägestempel 10 dem Bereich 21 ausgesetzt ist, wenn sein entsprechender Abschnitt die Position erreicht hat, die der Abschnitt einnahm, der zuvor dem Bereich 20 ausgesetzt war, wobei die Bereiche 20 und 21 von der Sonotrode 5 aus gesehen dieselben sind und insgesamt die Oberfläche des Kopfes 17 der Sonotrode 5 darstellen.
Man sieht also deutlich, daß die von der Sonotrode 5 gelieferte Energie sich im Bereich 20 auf die hier quer zur Laufrichtung 7 angeordneten Stegen 16 verteilen muß. Im Bereich 21 muß sich die von der Sonotrode 5 gelieferte Energie auf die Abschnitte der Stege 16 verteilen, die in dem Bereich 21 liegen und hier längs zur Laufrichtung 7 angeordnet sind. Wenn der Einflußbereich der Sonotrode 5 in Position 21 ist, muß sich die Energie also auf eine bezogen auf den Einflußbereich in Position 20 wesentlich kleinere Oberfläche verteilen.
Die Erfindung dient dazu, dieses Energieverteilungsproblem zu vermeiden und die Energiedichte auf allen Stegen 16 des Prägestempels 10 aneinander anzugleichen, unabhängig davon, ob sie quer oder längs zur Laufrichtung 7 verlaufen.
Die erste zuvor beschriebene Lösung ist in 3 gezeigt.
Neben den Prägestempeln 10 des Ambosses 6 fügt man Energiefallen bzw. Energiesenken 22 hinzu, bei denen es sich tatsächlich um neue Stege mit derselben Höhe wie die Stege 16 handelt. Diese Stege liegen hier in Form von Streifen vor, deren genaue Geometrie und deren Breite derart ausgelegt sind, daß die Schnittfläche von den Schwingungseinflußbereichen 23, 24 der Sonotrode 5 und von sowohl den Stegen 16 des Prägestempels 10 als auch den Stegen der Senken 22 eine konstante Oberfläche hat, die hier in der schematischen Darstellung schraffiert ist. Es ist selbstverständlich, daß die Bereiche 23, 24 hier zwei Beispiele für Positionen sind, anhand derer die Gleichheit der zuvor erwähnten Oberflächen überprüft werden soll; die Geometrie der Senken 22 muß so ausgelegt werden, daß der gesamte Schwingungseinflußbereich der Sonotrode 5 an jedem beliebigen Ort des Prägestempels 10 eine zuvor definierte konstante Schnittfläche bereitstellt.
Mit Hilfe dieser Art von in geeigneter Weise angepaßter Senke 22 erhält man auf den Stegen 16 des Prägestempels 10 eine während des Vorbeilaufens konstante Dichte der von der Sonotrode 5 gelieferten Energie.
Durch das Vorbeilaufen der Folien 3, 4 an der Sonotrode 5 und beim Kontakt mit dem Prägestempel 10 und den Senken bzw. Fallen 22 gemäß 3 ergibt sich ein Schweißnahtmuster auf den Folien 3, 4, das zugleich dem Prägestempel 10 und den Streifen 22 entspricht. Der Zweck der Vorrichtung ist es nun aber, hier mit einem dem Prägestempel 10 entsprechenden Muster homogen verschweißte Beutel zu erhalten. Die Schweißhomogenität wird auf dem Prägestempel 10 durch die konstante Energiedichte gewährleistet, die durch die Geometrie der Energiesenken 22 erreicht wird. Um die auf die Energiesenken zurückzuführende Schweißnaht verschwinden zu lassen, kann man eine Vorrichtung ins Auge fassen, wie sie in 4 beschrieben ist.
4 zeigt eine Draufsicht auf die Folien 3, 4 am Ende des Schweißvorgangs zwischen der Mantellinie 19 und den Rollen 9, 9' gemäß 1. Man sieht auf den Folien die Muster 10', 22' abgezeichnet, gemäß denen die Folien unter Verwendung eines Prägestempel 10 und Energiesenken 22 aufweisenden Ambosses verschweißt worden sind.
Die Vorrichtung weist auf dem Weg der Folien 3, 4 zwischen der Mantellinie 19 und den Rollen 9, 9' zwei Messer 23 auf, die die Folien 3, 4 zwischen dem Muster 10' und dem Muster 22' abschneiden, wobei die Muster auf den Kontakt der Folien 3, 4 mit dem Prägestempel 10 bzw. den Senken 22 zurückzuführen sind. Das Abschneiden erfolgt "sauber", weil die Folien 3, 4 zwischen den Rollen 8, 8' und 9, 9' sehr stark gespannt sind.
Die Erfindung schlägt eine zweite Lösung zum Angleichen der Energiedichte auf den Stegen 16 vor. Der Prägestempel 10 weist hier quer zur Laufrichtung 7 verlaufende Stege 16 auf, die höher als die längs zur Laufrichtung verlaufenden Stege 16 sind. Die 5a zeigt eine perspektivische, schematische Darstellung einer solchen Ausführungsform. Man beachte, daß zur Vereinfachung der Zeichnung die Stege 25 und 26, 26' so gezeichnet worden sind, als würden sie auf der erzeugenden Ebene 27 des Ambosses 6 in einem rechten Winkel zueinan der stehen, wobei der Leser das Prinzip auch auf Vorrichtungen wie z.B. gemäß 2 verallgemeinern kann. Man sieht also in 5a, daß der zur Laufrichtung 7 querverlaufende Steg 25 um eine Höhe h höher als die Stege 26 und 26' ist, die längs zur Laufrichtung 7 verlaufen. Der Steg 25 nimmt folglich mehr Energie von Seiten der Sonotrode 5 auf. Aber seine Oberfläche ist im Schwingungseinflußbereich der Sonotrode 5 größer als die entsprechende Oberfläche der Stege 26 und 26'. Man kann also den Höhenunterschied h zwischen den Stegen 25 und 26, 26' anpassen, um auf allen die gleiche Energiedichte zu erhalten.
Es sei darauf hingewiesen, daß die erzeugende Ebene 27 die des Ambosses 6 sowie die Stege hier in einer Ebene entwickelt sind. Außerdem sind nur drei der Seiten des Schweißrechtecks dargestellt.
Genau wie bei der vorhergehenden Ausführungsform soll die Geometrie der Höhenunterschiede unter Berücksichtigung der Geometrie des ganzen Schweißprägestempels 10 realisiert werden, um über alle Stege 16 hinweg eine konstante Energiedichte zu erhalten, und zwar unter Anwendung des soeben beschriebenen Prinzips.
Eine andere Ausführungsform dieses Prinzips ist es, die Höhe der Sonotrode 5 variieren zu lassen, da ja der relative Abstand der Stege 16 von der Sonotrode 5 wichtig ist. So befindet sich die Sonotrode 5 beim Passieren eines Bereichs von quer zur Laufrichtung 7 angeordneten Stegen 25' in einem bestimmten Abstand vom Amboß, wie man es in 6a sieht. Beim Passieren eines Bereichs von längs zur Laufrichtung 7 angeordneten Stegen 26'' wird die Sonotrode 7 um eine Höhe W (6b) angehoben, die so bestimmt ist, daß die Energie dichte auf den Stegen 26'' dieselbe wie auf den Stegen 25' ist, wie zuvor beschrieben wurde.
Der Übergang von einem querverlaufenden Bereich zu einem längsverlaufenden Bereich kann einem Servomotor auf Grund von auf dem Amboß angeordneten Fühlern 28 bekannt sein, wobei der genannte Servomotor dann der Sonotrode 5 deren Höhenänderungen vorgibt. Man erkennt in den 6c und 6d, daß während einer Phase die Sonotrode 5 zum Verschweißen eines querverlaufenden Bereichs 25' in einer Höhe h₁ angeordnet ist. Wenn ein längsverlaufender Bereich 26'' unter der Sonotrode 5 durchläuft, wird der Servomotor mit Hilfe eines Fühlers 28 über diese Konfigurationsänderung unterrichtet und befiehlt der Sonotrode 5, sich bis zu einer Höhe h₂ zu erheben, die der Phase 30 entspricht und sich von h₁ durch eine zusätzliche Höhe ω unterscheidet. Ein neuer Fühler 28 wird den Servomotor über das Passieren eines neuen querverlaufenden Bereichs unterrichten, wobei der Servomotor dann der Sonotrode befiehlt, sich wieder auf die Höhe h₁ herunterzubewegen und so weiter. Durch korrektes Dimensionieren von ω erhält man so gut eine konstante Energiedichte auf den Stegen der Bereiche 25' und 26''.
Eine weitere von der Erfindung gelieferte Lösung zum Angleichen der Energie längs der Stege 16 des Prägestempels 10 besteht darin, die Achse der Sonotrode 5 und des Ambosses 6 in bezug auf die Laufachse 7 zu neigen. 7a zeigt eine Draufsicht auf eine solche Ausführungsform. Die Sonotrode 5 ist nicht dargestellt, aber man sieht in der schematischen Darstellung den Schwingseinflußbereich 5' der Sonotrode 5, beim dem es sich um die senkrechte Projektion des Kopfes 17 der Sonotrode 5 auf die erzeugende Ebene des Ambosses 6 auf Höhe der Mantellinie 19 handelt. Man sieht also, daß sowohl die Sonotrode 5 als auch der Amboß 6 bezogen auf die Laufrichtung 7 um denselben Winkel α versetzt wurden. Die Prägestempel 31 auf dem Amboß wurden im Vergleich zu den zuvor beschriebenen Prägestempeln 10 verändert, um auf den Folien 3, 4 ein Schweißmuster 10' zu erhalten, das zu demjenigen identisch ist, das durch Verwendung einer "klassischen" Vorrichtung, wie der in 1 beschriebenen, erhalten wurde, wo der Amboß die Schweißprägestempel 10 aufweist. Man sieht also, daß die dem Einflußbereich 5' der Sonotrode 5 ausgesetzten Bereiche der Prägestempel 31 zu jeder Zeit eine konstante Oberfläche aufweisen, wenn diese Prägestempel 31 zu diesem Zweck entwickelt worden sind. Man erhält folglich eine konstante Energiedichte auf allen Stegen 16 der Prägestempel 31.
7b zeigt ein Ausführungsbeispiel dieser Lösung.
Vorteilhafterweise beträgt der zuvor beschriebene Winkel α 20°. Der Winkel zwischen dem Tragelement 34, das den Amboß und die Mantellinie 19 trägt, beträgt 70°. Der Winkel zwischen den längsverlaufenden Kanten 37 des Schweißmusters 10' einerseits und den längsverlaufenden Kanten 35 des Schweißprägestempels 31 andererseits beträgt 20°. Der Winkel zwischen den querverlaufenden Stegen des Schweißprägestempels 31 einerseits und der Mantellinie 19 andererseits beträgt 20°. Man erhält also eine homogene Verschweißung mit einem Muster 10', das in allen Punkten demjenigen gleicht, das mit dem Schweißprägestempel 10 gemäß 2 erzielt wurde.
Die letzte von der Erfindung vorgeschlagene Lösung zum Angleichen bzw. Homogenisieren der Energiedichte längs der Stege 16 des Schweißprägestempels 10 besteht darin, die relative Laufgeschwindigkeit der Folien 3-4 variieren zu lassen.
Ausgehend von einer Phase 38, in der sich ein querverlaufender Bereich 25' unter der Sonotrode 5 befindet und das Vorbeilaufen mit einer Geschwindigkeit v₁ erfolgt, wird der Übergang zu einem längsverlaufenden Bereich 26'' von einer Phase 39 hoher Beschleunigung des Vorbeilaufens der Folien 3, 4 begleitet, bis sich eine Geschwindigkeit v₂ während der Phase 40 stabilisiert; dem folgt dann eine starke Verzögerung während einer Phase 41 unmittelbar vor dem Übergang zu einem weiteren querverlaufenden Bereich 25', in dem sich die Geschwindigkeit von neuem auf der Geschwindigkeit v₁ stabilisiert. Die längsverlaufenden Bereiche 26" nehmen auf diese Weise weniger Energie als die Bereiche 25' auf, aber da ihre mit dem Einflußbereich der Sonotrode 5 wechselwirkende Fläche viel kleiner ist, kann man die Geschwindigkeiten v₁ und v₂ derart regeln, daß man eine konstante Energiedichte auf den Stegen der querverlaufenden Bereiche 25' und der längsverlaufenden Bereiche 26'' erhält.
Das Auffinden der Bereiche 25', 26'' und die Steuerung der Geschwindigkeitsänderungen kann mit Hilfe von Fühlern und einem Servomotor erfolgen, wie dies zuvor bei der zweiten Ausführungsform der letzten Lösung dargestellt wurde.
Es sei darauf hingewiesen, daß die Prägestempel des Ambosses in Abhängigkeit von Geschwindigkeitsänderungen geändert werden müssen, wobei die Länge der längsverlaufenden Bereiche verkürzt wird.

Claims

Verfahren zum Ultraschallverschweißen mittels von wenigstens zwei Folien (3, 4), wobei man die beiden Folien (3, 4) und einen Amboß (6) vor eine Sonotrode (5) bewegt, wobei der Amboß wenigstens einen Schweißprägestempel (10) trägt, der sich entlang einer Folge von bezogen auf die Laufrichtung (7) der Folien (3, 4) im wesentlichen querverlaufenden und im wesentlichen längsverlaufenden Richtungen erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß man die Dichte der von den Folien (3, 4) aufgenommenen Energie längs der genannten Richtungen im wesentlichen aneinander angleicht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei man die von der Sonotrode (5) längs des Schweißprägestempels (10) übertragene Energie moduliert.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei dem man Energiesenken (22) verwendet, die auf beiden Seiten des Schweißprägestempels (10) in einem Bereich angeordnet sind, der für die Gestaltung des Schweißmusters (10') nicht genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Energiemodulation längs des Schweißprägestempels (10) durch relative Abstandsunterschiede zwischen der Sonotrode (5) und den in bezug auf die Laufrichtung (7) im wesentlichen querverlaufenden und längsverlaufenden Stegen erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei ein Servomotor beim Vorbeilaufen des Ambosses (6) Höhenänderungen der Sonotrode (5) bewirkt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei man die relative Laufgeschwindigkeit der Folien (3, 4) variieren läßt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei man die Achse der Sonotrode (5) und des Ambosses (6) bezogen auf die Laufrichtung (7) neigt .
Maschine zum Ultraschallverschweißen von wenigstens zwei Folien (3, 4), wobei man die beiden Folien (3, 4) und einen Amboß (6) vor einer Sonotrode (5) bewegt, wobei der Amboß wenigstens einen Schweißprägestempel (10) trägt, der sich entlang einer Folge von bezogen auf die Laufrichtung (7) der Folien (3, 4) im wesentlichen querverlaufenden und im wesentlichen längsverlaufenden Richtungen erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel (22) aufweist, um die Dichte der von den Folien (3, 4) längs der genannten Richtungen aufgenommenen Energie aneinander anzugleichen.
Maschine nach Anspruch 8, wobei der Amboß (6) Energiesenken (22) aufweist, die in einem Bereich angeordnet sind, der für die Gestaltung des Schweißmusters (10') nicht genutzt wird.
Maschine nach einem der Ansprüche 8 und 9, wobei hinter der Stelle, an der das Schweißen stattfindet, ein Mittel zum Abschneiden der Folien (3, 4) vorgesehen ist, um die von den Energiesenken (22) hervorgerufenen Schweißstreifen verschwinden zu lassen.
Maschine nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die im wesentlichen quer zur Laufrichtung (7) verlaufenden Stege des Schweißprägestempels (10) höher als die längs zur Laufrichtung (7) verlaufenden Stege des Schweißprägestempels (10) sind.
Maschine nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Achsen der Sonotrode (5) und des Ambosses (6) in bezug auf die Laufrichtung (7) geneigt sind, und wobei die Schweißprägestempel (31) modifiziert sind, um das richtige Schweißmuster (10') zu erhalten.