CH663757A5

CH663757A5 - Vorrichtung zum verbinden eines endes eines rohrfoermigen behaelterkoerpers mit einem verschlussteil durch reibschweissen.

Info

Publication number: CH663757A5
Application number: CH4206/83A
Authority: CH
Inventors: Stephen E Woerz; Travis K Canup
Original assignee: Sonoco Products Co
Priority date: 1981-07-30
Filing date: 1981-12-18
Publication date: 1988-01-15
Also published as: DE3148537C2; DK522981A; JPS5820417A; GB2154935B; SE8107335L; GB2154936A; CA1169371A; GB2102729B; GB2102729A; GB2154935A; SE451310B; AU543145B2; GB8502309D0; AU7709681A; GB2154936B; DK151088B; DE3153212C2; CH662982A5; GB8502310D0; FR2510469B1

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Der Gedanke der Reibschweissverbindung zweier Kunststoffteile, beispielsweise eines Behälterkörpers und eines Verschluss- oder Kappenoberteils, ist bekannt durch die US-PS 32 97 504 (Brown), die US-PS 3499 068 (Jones), die US-PS 3712 497 und die US-PS 40 75 820 (Standley). Dort weisen die beiden zu verbindenden Teile aus Kunststoff im wesentlichen die gleiche Stärke auf, so dass, wenn die Teile in reibendem Eingriff relativ zueinander gedreht werden, die dabei erzeugte Hitze ausreicht, die beiden Teile zu erweichen und anschliessend miteinander zu verbinden.

Wegen der relativ geringen Stärke einer inneren Futterschicht eines Behälterkörpers treten beim Reibungsschweissen eines Verschlussteils aus Kunststoff mit dem zusammengesetzten Behälterkörper Probleme auf. Diese Probleme sind besonders gross, wenn das Verschlussteil beispielsweise eine Stärke aufweist, die mindestens 20mal grösser ist als die Stärke der inneren Futterschicht aus thermoplastischem Material. Bei den bekannten Verfahren kommt es häufig vor, dass die dünne thermoplastische Futterschicht während des Schweissprozesses entweder zerreisst oder von den anderen Wandschichten abgelöst wird, wenn das wandstärkere Verschlussteil aus Kunststoff zum Zwecke des Reibschweissens relativ zu dem Behälterkörper gedreht und verschoben wird. Mit den bekannten Verfahren ist es schwierig, eine gleichmässige und absolute Dichtigkeit zwischen dem Behälterkörper und dem Verschlussteil herzustellen, wenn die Verbindung von Verschlussteil und Behälterkörper mittels Reibschweissung erfolgt.

Bekannte Verschlussteile aus Kunststoff, die mit einem Behälterkörper verbunden sind, zeigen die Neigung, durch die Belastung während des Füllens der Behälter und während der Handhabung der Behälter nachzugeben, sodass sich die Verschlussteile von den Behälterwandungen, mit denen sie verbunden sind, abschälen können, wodurch die Dichtung zwischen Verschlussteil und Behälterkörper zerstört wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Herstellung eines mit einem Endverschlussteil aus Kunststoff versehenen, aus mehreren Schichten aufgebauten Behälters mittels Reibschweissen zu schaffen, dessen Dichtigkeit auch bei Belastung gewährleistet ist, besonders auch, wenn die zwei miteinander verschweissten Teile in ihrer Stärke stark differieren.

Die Lösung dieser Aufgabe wird erreicht durch eine Vorrichtung gemäss Anspruch 1.

Beispielsweise Ausführungen der Erfindung ergeben sich im folgenden aus der ausführlichen Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung, in denen zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch zwei aufeinandergestapelte zusammengesetzte Behälter;

Fig. 2 einen Schnitt durch zwei aufeinandergestapelte Verschlussteile;

Fig. 3 eine Draufischt auf ein Verschlussteil nach Fig. 2;

Fig. 4 einen Querschnitt durch eine Darstellung des Ausbauchungsvorgangs;

Fig. 5 einen Querschnitt durch die Vorrichtung zur Durchführung der Reibschweissverbindung;

Fig. 6 und 7 einen Querschnitt bzw. eine Ansicht auf die Unterseite des drehbaren Spannfutters von Fig. 5;

Fig. 8 und 9 einen Querschnitt bzw. eine Ansicht auf den drehbaren Dorn von Fig. 5 und

Fig. 10,11 und 12 Querschnitte aufeinderfolgender Zustände während des Reibschweissvorgangs.

Fig. 1 zeigt einen zusammengesetzten Behälter 10 mit einem vertikal angeordneten zylindrischen Körper 12 und einem Endverschlussteil 14 aus Kunststoff, das mit dem Behälterkörper 12 durch Reibschweissen verbunden ist. Der Körper 12 weist mindestens eine Körperwandschicht 16 aus faserigem Material, eine

innere Futterschicht 18 aus thermoplastischem Kunststoff und eine äussere Etikettschicht 20 auf.

Das Endverschlussteil 14 umfasst eine ringförmige, nach unten abstehende innere Dichtungsrippe 14a und einen äusseren ringförmigen nach unten gerichteten schürzenförmigen Bereich 14b, welche konzentrisch im Abstand voneinander angeordnet sind und zwischen sich eine ringförmige Nut 26 bilden. Das obere Ende des Körpers 12 ist in der ringförmigen Nut 26 aufgenommen, und die Rippe 14a und die thermoplastische innere Futterschicht 18 sind durch Reibschweissung in abdichtender Verbindung. Die Stärke der Rippe 14a ist 20- bis 50mal grösser als die Stärke der Futterschicht 18. Besonders aus wirtschaftlichen Gründen ist die Futterschicht 18 relativ dünn gehalten, aus Festigkeitsgründen wird aber eine Rippe gewünscht, die wesentlich stärker ist. Deshalb müssen der rippenförmige und der schürzenförmige Verbindungsbereich des Endverschlussteils eine ausreichende Festigkeit aufweisen, um die Unversehrtheit der Verbindung aufrechtzuerhalten, nicht nur wenn sich der Zentralbereich des Endes bezüglich der Rippe und des schürzenförmigen Teils biegt, sondern ebenfalls während des Stapeins der Behälter. Deshalb umfasst das Endverschlussteil 14 weiter einen ringförmigen, nach oben sich erstreckenden Bereich 14c, mit dessen Hilfe zusammengesetzte Körper in einer bestimmten Art und Weise aufeinander gestapelt werden können .Eine Vielzahl von über den Umfang verteilten, beabstandeten radialen Verstärkungsrippen 14d (Fig. 3) erstreckt sich nach innen von der Innenfläche der Stapelrippen 14c aus. Die kreisförmige Innenscheibe 14e des Endverschlussteils umfasst ebenfalls eine ringförmige Rippe 14f. Die Tadialen und ringförmigen Rippen 14d bzw. 14f tragen zur Festigkeit des Endverschlussteils bei.

Alle Kanten des Endverschlussteils sind abgerundet, so dass keine Spannungen auftreten können. Wenn das Endverschlussteil während des Füllvorangs oder der nachfolgenden Handhabung des zusammengesetzten Körpers belastet wird, gibt der zentrale scheibenförmige Bereich 14e relativ zu der Rippe und dem schürzenförmigen Bereich 14a bzw. 14b nach, wodurch die früher auftretende Neigung des Abschälens des Endverschlussteils von dem Behälterkörper im Dichtungsbereich ausgeschaltet wird.

Eine Vielzahl von Endverschlussteilen 14 kann in einer bestimmten Art und Weise, wie in Fig. 2 gezeigt, gestapelt werden. Das ist insbesondere vorteilhaft während des Versands der Endverschlussteile vom Hersteller zu dem Verbraucher, da dadurch kostbarer Frachtraum eingespart werden kann.

Vor der Verbindung mit dem Behälterkörper 12 ist der rippenförmige Bereich 14a des Endverschlussteils an seiner Aussenfläche in Vertikalrichtung nach innen zusammenlaufend, wie aus Fig. 2zu ersehen ist. Die Aussenfläche bildet daher einen spitzen Winkel von etwa 2,5 bis 5° zur Vertikalen. Diese Form ist sehr wichtig für die vollständige Ausbildung der endgültigen, durch Reibschweissung hervorgerufenen Dichtung zwischen dem Endverschlussteil und dem Behälterkörper, und zwar aus dem Grund, dass dadurch ausreichender Raum für den Über-schuss an geschmolzenem Kunststoff vorhanden ist, der während des Reibschweissprozesses gebildet wird und nach unten abfliesst, ohne dass dabei die dünne thermoplastische innere Futterschicht des Behälterkörpers verletzt wird.

Um einen engen, dichten Sitz zwischen dem Endverschlussteil und demBehälterkörper zu gewährleisten, ist es notwendig, das obere Ende des Behälterkörpers innerhalb enger Toleranzen zu halten und die obere Kante leicht abzurunden. Die Ausbildung des richtigen Masses und die Abrundung werden während eines einfachen Ausbauchungsvorgangs erreicht, wie er in Fig. 4 dargestelltist. Eine zylindrische Ausbauchungsform 40 wird in das obere Ende des Körpers 12 eingeführt, wobei die Form 40 einen nach oben gerichteten, äusseren konischen Umfangsbe-reich 40a umfasst, der an seinem oberen Ende in einen äusseren, leicht konkav gekrümmten Flächenbereich 40b übergeht. Die

3 663 757

Umfangsfläche 40a passt eng in den Körper 12 und, wenn es in diesen eingeführt ist, weitet sie den Körper 12 und rundet den Körper 12 aus, wenn es das obere Ende 12a ausbaucht. Jedes herkömmliche Werkzeug, welches den gleichen Ausbaucheffekt 5 des Körpers ermöglicht, kann gegen die Ausbauchungsform 40 ausgetauscht werden. Der Ausbauchungsvorgang schliesst jeden Unterschied im Durchmesser des oberen Endes des Körpers 12 infolge des Materials und der maschinellen und klimatischen Bedingungen aus. Durch das Ausbauchen wird der innere io Durchmesser des Körpers um etwa 0,01" (0,254 mm) erweitert.

Der Behälterkörper 12 ist abnehmbar an einem stationären, vertikal ausgerichteten Zentraldorn 50 befestigt, welcher, wie in Fig. 5 gezeigt, in den Behälterkörper eingeführt ist. Klammern 52 halten den Behälterkörper 12 an dem Zentraldorn 50, wodurch 15 eine Relativbewegung des Behälterkörpers 12 gegenüber dem Zentraldorn verhindert wird. Andere Befestigungsmittel wie beispielsweise eine Unterdrucksaugvorrichtung oder ein spreizbarer Dorn können die in Fig. 5 gezeigten Klammern ersetzen.

Der drehbare Dorn 54 ist drehbar mit dem zentralen Dorn 50 20 verbunden und umfasst einen scheibenförmigen Abschnitt 54a und einen Schaftabschnitt 54b, der in dem oberen Ende des zentralen Dorns 50 drehbar gelagert ist. Der drehbare und der zentrale Dorn umfassen eine Vielzahl von vertikalen Luftkanälen 60 bzw. 62; die Kanäle 62 stehen mit der Atmosphäre in der 25 Näheder Basis des zentralen Dorns 50 in Verbindung. Diese Luftkanäle können anders ausgebildet sein als die gezeigten vertikalen, solange sie einen Luftdurchgang von der Oberseite des drehbaren Dorns durch den zentralen Dorn zur Atmosphäre bilden.

30 Ein Querschnitt des drehbaren Dorns 54 ist in Fig. 8 gezeigt, eine Draufsicht auf den Dorn zeigt Fig. 9. Der Durchmesser des scheibenförmigen Bereichs 54a ist etwa gleich dem inneren Durchmesser der Dichtrippe 14a des Endverschlussteils. Der scheibenförmige Abschnitt ist wichtig für den Erfolg des Reib-35 schweissungsvorgangs, wie im einzelnen nachstehend beschrieben ist.

Ein zusammenpressbares Teil 64 ist auf der Oberseite des scheibenförmigen Bereichs 54a des drehbaren Dorns befestigt; das Teil 64 ist aus einem geeigneten elastischen Material wie 40 beispielsweise Schaumgummi od. dgl.

Wie aus den Fig. 5 bis 7 zu ersehen, ist ein vertikal verschiebbares, drehbares Spannfutter 70 axial mit einem Vertikalabstand oberhalb des zentralen bzw. drehbaren Dorns 50,54 ausgerichtet, wobei das Spannfutter durch einen Drehantrieb 71 mit einer 45 Rotationsgeschwindigkeit angetrieben wird, die für eine Reibschweissverbindung ausreichend ist (beispielsweise ungefähr 3000 Upm). Das drehbare Spannfutter umfasst eine Einrichtung zur Befestigung eines Endverschlussteils 14 aus Kunststoff an seiner Unterseite. Im gezeigten Ausführungsbeispiel besteht die so Befestigungseinrichtung aus einer Unterdruckquelle 73, die über Kanäle 76 und Öffnungen 78 mit 'einer ringförmigen Nut 72 in Verbindung steht, die an der Unterseite des drehbaren Spannfutters 70 ausgebildet ist und mit deren Hilfe das Endverschlussteil lagerichtig gehalten wird.

55 Während des Arbeitsvorgangs ist der Behälterkörper 12 auf dem Zentraldorn 50 angebracht und wird durch Klammern 52 gehalten, so dass der Körper 12 weder eine Vertikal- noch eine Rotationsbewegung relativ iu dem Zentraldorn 50 durchführen kann, und das Endverschlussteil 14 ist an dem drehbaren Spann-sofutter 70 angebracht.

Das drehbare Spannfutter 70 mit dem daran befestigten Endverschlussteil 14 (Fig. 5) wird mit einer Rotationsgeschwindigkeit gedreht, die für die gewünschte Reibverschweissung ausreichend ist (d. h. etwa 3000 Upm). Während das drehbare 65Spannfutter 70 umläuft, wird es in Vertikalrichtung axial nach unten verschoben, damit die Unterseite des keilförmigen zentralen Plattenbereichs 32 des Endverschlussteils mit dem zusammendrückbaren Material 64 zur Anlage kommt, wodurch der

663 757 4

drehbare Dorn 54 in der Bohrung 55 mit der Rotationsgeschwin- schweissten Endverschlussteil von dem Zentraldorn abgenom-

digkeit des drehbaren Spannfutters 70 gedreht wird. In der Folge men wird. Dafür sind die Luftkanäle 60 und 62 vorgesehen,

wird das drehbare Spannfutter 70 weiter nach unten verschoben, welche verhindern, dass sich ein Unterdruck zwischen dem das zusammenpressbare Material 64 wird zusammengepresst und drehbaren Dom und dem Zentraldorn und dem Ende des die Dichtrippe 14 des Endverschlussteils wird, wie in Fig. 10 5 Behälterkörpers ausbildet.

gezeigt, durch den scheibenförmigen Abschnitt 54a des drehba- Ein nicht gezeigtes Endverschlussteil aus Metall wird mit dem ren Dorns abgestützt, welcher sich mit einer Geschwindigkeit unteren Ende des Körpers 12 in einer herkömmlichen Weise dreht, die kleiner oder gleich ist der Geschwindigkeit des End- verbunden, wenn der zusammengesetzte Behälter gefüllt ist.

verschlussteils. Natürlich ist es auch möglich, den Behälter umzudrehen, so dass

Der scheibenförmige Bereich 54a stützt die Dichtrippe 14a io das Endverschlussteil aus Kunststoff unten an der vertikal ausge-

gegen ein radial nach innen gerichtetes Ausweichen oder Abstos- richteten Körperwand durch Reibschweissen angebracht wird sen ab, wenn das sich drehende Endverschlussteil zur Anlage mit und das Endverschlussteil aus Metall demnach am oberen Ende dem Behälterkörper abgesenkt wird. Der Drehantriebsmecha- des Behälters angebracht wird.

nismus des drehbaren Spannfutters wird ausgekuppelt bzw. Die durch Reibschweissen ausgebildete Dichtung zwischen ausgeschaltet, damit das Spannfutter ohne Antrieb frei weiter- 15 dem Endverschlussteil aus Kunststoff und dem Behälterkörper drehen kann. Wie aus Fig. 11 zu ersehen, wird das Endver- ist ausreichend fest, um den Kräften Widerstand zu leisten, die schlussteil 14 schnell in das obere Ende des Körpers 12 einge- bei dem Verschliessen des unteren Endes mit der herkömmlichen führt, so dass das ausgebauchte obere Ende des Körpers 12 Weise erzeugt werden. Versuche haben bestätigt, dass die Verzunehmend dicht in der ringförmigen Nut 26, die in dem Endver- bindung zwischen der inneren Futterschicht und dem reibver-schlussteil ausgebildet ist, verkeilt, und die Dichtrippe 14 wird 20 schweissten Kunststoffverschlussteil 3 bis 4 mal stärker ist als eine zwischen die thermoplastische Innenfutterschicht 18 des Behäl- herkömmliche Verbindung zwischen einer zusammengesetzten terkörpers und dem scheibenförmigen Abschnitt 54a des drehba- Behälterwand und einem Endverschlussteil aus Metall mit einer ren Dorns verkeilt. Die drehende reibende Anlage zwischen dem Walznaht. In dieser Hinsicht ist zu bemerken, dass eine nach thermoplastischen Innenfutter und der Dichtrippe aus Kunststoff oben gerichtete Kraft auf den Zentralbereich des Endteils 14 ein erzeugt eine Hitze, die ausreicht, um die sich berührenden 25 Ausbauchen des Endteils in den Bereich zwischen der Stapelthermoplastischen Materialien zu erweichen und nachfolgend rippe 14c und der Rippe 14a verursacht, wodurch die Unversehrt-miteinander zu verbinden. Das drehbare Spannfutter wird dann heit der Dichtung zwischen der Rippe 14a und der inneren von dem Endverschlussteil entfernt. Futterschicht 18 aufrechterhalten bleibt, wobei die Dichtung

Der Überschuss des geschmolzenen Kunststoffmaterials, der eher gegenüber Abscherkräften als Abschälkräften anfällig ist.

während des Reibschweissprozesses entsteht, fliesst dank der 30 Zu diesem Zweck ist die Verbindungslinie der Stapelrippe 14c

Abstützung der Dichtrippe 14a und deren nach unten verlaufen- mit der Oberseite des Endteils vorzugsweise ausgerundet,

den, nach innen gerichteten kegelförmigen oder konischen Aus- Die innere Futterschicht 18, die gewöhnlich die Stärke von senfläche nach unten, wie in Fig. 11 gezeigt, wobei eine gleich- ungefähr 0,0005" bis ungefähr 0,0030" (0,0127 bis 0,0762 mm)

mässige Stärke ausgebildet wird und verhindert wird, dass die aufweist, besteht aus einem herkömmlichen heissversiegelbaren thermoplastische innere Futterschicht 18 zerreisst (siehe Fig. 12). 35 thermoplastischen Kunststoffmaterial, wie Polyolefin, Polycar-

Einefeste, flüssigkeitsdichtereibschweissverbundeneDichtung bonat, Acrylpolymer od. dgl.

wird somit an einem zusammengesetzten Behälter ausgebildet. Wie aus Fig. 10 zu ersehen, ist der Verjüngungswinkel der

Sofort nach Beendigung des Reibschweissprozesses werden Aussenseite der Rippe 14a zur Vertikalen geringfügig grösser als die Klammern 52 des Zentraldorns von dem Behälterkörper 12 der Winkel des ausgebauchten oberen Endes 12a des zusammenentfernt, wonach der Behälterkörper mit dem daran reibver- 40 gesetzten Behälterkörpers 12.

M

3 Blatt Zeichnungen

Claims

663 757

PATENTANSPRÜCHE

20

25

30

1. Vorrichtung zum Reibschweissverbinden eines Endes eines senkrecht angeordneten, rohrförmigen, zusammengesetzten Behälterkörpers (12), der eine faserige Wandschicht (16), eine innere Futterschicht (18) aus einem thermoplastischen syntheti- 5 sehen Kunststoffmaterial und eine äussere Etikettschicht (20) aufweist, mit einem aus thermoplastischem, synthetischem Kunststoffmaterial bestehenden Verschlussteil (14), das gegenüber dem Behälterkörper (12) eine ringförmige innere Rippe (14a) und einen äusseren schürzenförmigen Bereich (14b) auf- io weist, welche konzentrisch im Abstand voneinander angeordnet sind und eine ringförmige, zur Aufnahme des anstossenden Endes des Behälterkörpers (12) bestimmte Nut (26) bilden,

deren Seitenwände zum Nutboden hin konvergieren, gekennzeichnet durch 15

a) einen senkrecht angeordneten stationären zentralen Dorn (50) zum Einführen in das Innere des Behälterkörpers (12);

b) eine Einrichtung (52) zur lösbaren Befestigung des Behälterkörpers (12) an dem zentralen Dorn (50);

c) ein drehbares Futter (70) in vertikaler Ausrichtung mit und in Axialrichtung verschiebbar zu dem zentralen Dorn (50),

welches Futter (70) zum Reibschweissen mit einer Drehgeschwindigkeit anzutreiben ist, die ausreichend ist zur Erzielung einer Reibschweissverbindung;

d) eine Einrichtung (73,76,72) zur lösbaren Befestigung des Verschlussteiles (14) an dem drehbaren Futter (70) und e) eine Einrichtung (54) zur drehbaren Abstützung der Innenfläche der Rippe (14a), wenn das drehbare Futter (70) in Axialrichtung relativ zu dem zentralen Dorn (50) verschoben und das Ende des Behälterkörpers (12) fortschreitend in die an dem Verschlussteil (14) vorgesehene Nut (26) gekeilt und die Rippe

( 14a) des Verschlussteils (14) mittels Reibschweissung mit dem synthetischen Kunststoffinnenfutter (18) des Behälterkörpers 35 (12) verbunden wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass die die Rippe (14a) abstützende Einrichtung einen drehbaren Dorn (54) aufweist, welcher drehbar mit dem zentralen Dorn (50) verbunden ist, und dass der drehbare Dorn (54) einen scheibenförmigen Teil (54a) zum Abstützen der etwa den gleichen Durchmesser aufweisenden vertikalen Innenflächen der aussen sich kegelförmig nach unten verjüngenden Rippe (14a) aufweist.

45
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

dass der drehbare Dorn (54) einen einstückigen Schaft (54b) aufweist, der drehbar im oberen Ende des zentralen Dorns (50) gelagert ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

dass ein zusammendrückbares Teil (64) auf der Oberfläche des scheibenförmigen Teils (54a) des drehbaren Dorns (54) vorgesehen ist. das mit dem Verschlussteil (14) während der Axialverschiebung des drehbaren Futters (70) in Eingriff kommt, so dass der drehbare Dorn (54) mit der gleichen Drehgeschwindigkeit wie das Futter (70) angetrieben wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

dass das scheibenförmige Teil (54a) des drehbaren Dorns (54) vertikale Druchgangskanäle (60) zur Belüftung des Raums zwischen dem Verschlussteil (14) und dem scheibenförmigen Teil (54a ) des drehbaren Dorns (54) aufweist, so dass der mit dem Verschlussteil ( 14) durch Reibschweissen verbundene Behälterkörper ( 12 ) von dem zentralen Dorn (50) abgenommen werden kann.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 65 dass die Einrichtung (73) zur lösbaren Befestigung des Verschlussteiles ( 14) an dem drehbaren Futter (70) eine Unterdruckeinrichtung ist.

40

50

55

60