DE69614322T2

DE69614322T2 - Vorrichtung an einer Antriebseinheit zur Ultraschallversiegelung

Info

Publication number: DE69614322T2
Application number: DE69614322T
Authority: DE
Inventors: Rabe Magnus
Original assignee: Tetra Laval Holdings and Finance SA
Current assignee: Tetra Laval Holdings and Finance SA
Priority date: 1995-06-19
Filing date: 1996-06-18
Publication date: 2001-11-22
Anticipated expiration: 2016-06-19
Also published as: KR970001154A; RU2162814C2; EP0749900A1; JP3727724B2; BR9602833A; JPH09122588A; TW319917B; SE9502226L; KR100241245B1; ES2158975T3; CA2179446A1; CN1078862C; ATE203969T1; MX9602410A; CN1141401A; EP0749900B1; CA2179446C; US5865946A; SE9502226D0; DE69614322D1

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Ultraschallversiegelung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf eine Vorrichtung zum Versiegeln von thermoplastischem Material gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.

STAND DER TECHNIK

Heutzutage werden im industriellen Rahmen Einheiten zur Ultraschallversiegelung in unterschiedlichen Bauformen eingesetzt. In der europäischen Patentschrift EP 0 615 907 (A1) wird eine Einheit zur Ultraschallversiegelung beschrieben, die insbesondere zum Einsatz bei Abfüllmaschinen von der Art entwickelt wurde, bei welcher Lebensmittel in flüssiger Form in Einwegverpackungen zur einmaligen Verwendung abgefüllt werden. In diesen Abfüllmaschinen steht nur begrenzter Raum für eine Einheit zur Ultraschallversiegelung zur Verfügung, und damit handelt es sich bei der dort beschriebenen Einheit um eine Bauform, deren Gesamtlänge der Hälfte einer Wellenlänge entspricht. In der Abfüllmaschine wird eine Materialbahn aus einem laminierten Verpackungsmaterial zu einem Schlauch geformt, der mit einer in Längsrichtung verlaufenden Verbindungsnaht bzw. Schweißnaht dicht verschlossen und mit dem vorgesehenen Inhalt gefüllt wird. Der gefüllte Materialschlauch wird dann in Querrichtung versiegelt und an diesen querverlaufenden Versiegelungen wird der Materialschlauch zur Bildung einzelner Verpackungsbehälter getrennt. Die dort beschriebene Versiegelungseinheit ist für die querverlaufenden dichten zusammenhängenden Verbindungsnähte vorgesehen, weshalb die Versiegelungseinheit eine langgestreckte, schmale Versiegelungsfläche aufweist, deren Breite der Breite der in Querrichtung verlaufenden zusammenhängenden Versiegelungsnähte entspricht. Um die erforderliche Länge der querverlaufenden dichten Schweißnaht zu erreichen, muss zur Bildung einer mehrteiligen Einheit, die zur Ultraschallversiegelung ausgerüstet ist, eine Anzahl der vorstehend beschriebenen Versiegelungseinheiten zusammengebaut werden. Die Versiegelungseinheit weist Reaktionskörper auf, welche die Antriebs- bzw. Ansteuereinheit umgeben, ein Horn, das die langgestreckte schmale Versiegelungsfläche trägt, sowie eine in der Mitte vorgesehene Knotenebene, in der die Amplitude der Einheit Null beträgt und die Einheit in der Füllmaschine befestigt werden kann.
Eine Versiegelungseinheit der vorstehend umrissenen Art weist eine äußerst komplizierte geometrische Ausbildung auf. Auch wenn in der in der Mitte liegenden Knotenebene eine Amplitude mit dem Wert Null vorliegt und auch wenn diese Knotenebene zum Befestigen der Einheit verwendet wird, liegt wegen der Schwingung der Einheit in dieser Ebene eine geringfügige Restbewegung vor. Diese Bewegung lässt sich als Welle in einer Ebene beschreiben. Die Keramikplatten in der Antriebseinheit sind gegenüber erheblichen Druckbelastungen widerstandsfähig, doch sind sie spröde und gegenüber Biegebelastungen und Zugbelastungen jeglicher Art hoch empfindlich, weshalb die Restbewegung in der Knotenebene zur Rissbildung in den Keramikplatten und zum Brechen derselben führen kann.
Wenn eine Reihe der vorstehend beschriebenen Einheiten zur Bildung einer Einheit als Ausrüstung zur Ultraschallversiegelung in einer Abfüllmaschine miteinander kombiniert werden und gegebenenfalls mehrere Abfüllmaschinen in denselben Räumen im Einsatz sind, ist es von unabdingbarer Wichtigkeit, dass die verschiedenen Versiegelungseinheiten mit derselben Amplitude arbeiten, um so eine vollständige Austauschbarkeit der Teile zu gewährleisten. Die piezoelektrischen Keramikplatten lassen sich nur mit Schwierigkeiten mit gleichmäßigen Eigenschaften erhalten, weshalb unter Umständen verschiedene Antriebseinheiten kleinere Schwankungen aufweisen, die in der Amplitude erzeugt werden.
In der deutschen Patentschrift DE 40 14 846 A1 wird eine Antriebseinheit zum Erzeugen von Ultraschallschwingungen beschrieben, bei welcher zwischen das piezoelektrische Element und ein Koppelelement zur Anbringung des piezoelektrischen Elements am Koppelelement, in dem ein Gewindeloch für eine Spannschraube ausgebildet ist, eine Abstandsscheibe eingesetzt ist.

AUFGABE DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Möglichkeit zur Herstellung einer Antriebseinheit zu schaffen, bei welcher die kleineren restlichen Biegebelastungen in der Knotenebene auf einen so niedrigen Wert verringert werden, dass sie keine für die empfindlichen Keramikplatten schädliche Bewegung bilden. Eine weitere Zielsetzung der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Möglichkeit zur Herstellung von Antriebseinheiten zu schaffen, die mit einer vorgegebenen und vorgewählten Amplitude arbeiten können, ohne dass dabei die Güte der piezoelektrischen Keramikplatten einen entscheidenden Einfluss auf die Amplitude nimmt.

LÖSUNG DER AUFGABE DER ERFINDUNG

Diese und weitere Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Anordnung der eingangs beschriebenen Art die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Eine Vorrichtung zum Versiegeln von thermoplastischem Material mit einer Vielzahl der Anordnungen wird in Anspruch 8 beschrieben und beansprucht.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung weisen weitere Merkmale auf, die in den beiliegenden Unteransprüchen genannt sind.

KURZBESCHREIBUNG DER BEILIEGENDEN ZEICHNUNG

Nachstehend wird nun ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ausführlicher unter spezieller Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in welcher:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Einheit zur Ultraschallversiegelung ist;
Fig. 2 die Verteilung der Spannung um die Knotenebene der Versiegelungseinheit schematisch darstellt; und
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Antriebseinheit zeigt.

BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS

Die erfindungsgemäße Anordnung wurde speziell für eine Einheit 1 zur Ultraschallversiegelung der in Fig. 1 dargestellten Art oder ähnliche Versiegelungseinheiten 1 entwickelt und hergestellt. Die Versiegelungseinheit 1 besteht im wesentlichen aus einer Antriebseinheit 2 und einem homogenen Korpus 13.
Die Antriebseinheit 2 der Versiegelungseinheit 1 besteht aus einer Reihe piezoelektrischer Keramikplatten 3 mit dazwischenliegenden Metallblechen 4 aus leitfähigem Material. Die Metallbleche 4 sind an eine (hier nicht dargestellte) Wechselstromversorgung angeschlossen, so dass die piezoelektrischen Keramikplatten 3 elektrisch parallel geschaltet sind. Die Keramikplatten 3 und die Metallbleche 4 werden zusammen mit einem Gegengewicht 5 unter Vorspannung durch eine Spannschraube 6 zusammengehalten. Die Spannschraube 6 wird auch zur Befestigung der Antriebseinheit 2 im Korpus 13 der Versiegelungseinheit 1 verwendet. Die Antriebseinheit 2 setzt das elektrische Potential in eine mechanische Verschiebung um, die zu der Schwingung führt, welche die Versiegelungsarbeit der Einheit 1 ausmacht.
Der Korpus 13 der Versiegelungseinheit 1 besteht aus Reaktionskörpern 7, welche die Antriebseinheit 2 umgeben, sowie aus einem Horn 8 mit einer langgestreckten, schmalen Siegelfläche 9. Die Reaktionskörper 7 dienen dem Zweck, die Schwingungen aufzunehmen, die nach Schwingung des Horns 8 auftreten. Zwischen dem Horn 8 und den Reaktionskörpern 7 wird eine Knotenebene 10 gebildet, in welcher die Amplitude der Einheit Null ist. Die Knotenebene 10 ist mit einer Verankerungskante 11 versehen, in welcher die Versiegelungseinheit befestigt werden kann. Die Reaktionskörper 7 der Versiegelungseinheit 1, die Knotenebene 10 mit ihrer Verankerungskante 11 und das Horn 8 sind vorzugsweise aus Titan gefertigt, doch können sie auch aus Aluminium hergestellt werden. Der Korpus 13 der Versiegelungseinheit 1 ist bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel einteilig als homogener Körper hergestellt, doch können die Teile natürlich auch getrennt voneinander hergestellt und anschließend zur Bildung des Korpus 13 zusammengefügt werden.
Die vorstehend beschriebene Versiegelungseinheit 1 wurde speziell zum Einsatz bei Abfüllmaschinen von der Art konstruiert und hergestellt, bei dem Lebensmittel in flüssiger Form in Einweg-Verpackungsbehälter zur einmaligen Verwendung abgefüllt werden. In diesen Abfüllmaschinen steht nur begrenzter Raum für eine Einheit zur Ultraschallversiegelung zur Verfügung, insbesondere, wenn die Verwendung einer solchen Ausrüstung zur Nachrüstung schon vorhandener Maschinen beabsichtigt ist, ohne dass diese in erheblichem Umfang umgebaut oder neu konstruiert werden müssen. Die Versiegelungseinheit nach Anspruch 1 weist deshalb eine Gesamtlänge auf, die der halben Wellenlänge entspricht. Bei der Abfüllmaschine, die mit einer laufenden Materialbahn aus einem Laminat mit Papier oder Pappe und thermoplastischem Material, sowie gegebenenfalls Aluminium, arbeitet, wird diese Materialbahn zu einem Schlauch mit einer in Längsrichtung verlaufenden Naht bzw. Schweißnaht geformt. Der Schlauch wird mit dem vorgesehenen Inhalt gefüllt und dann werden die einzelnen Verpackungsbehälter mit Hilfe in Querrichtung verlaufender zusammenhängender Schweißnähte hergestellt, in denen die Materialbahn geschnitten bzw. getrennt wird. Die in Fig. 1 dargestellte Versiegelungseinheit 1 ist für den Einsatz bei querverlaufenden zusammenhängenden Versiegelungsnähten vorgesehen, weshalb das Horn 8 der Einheit 1 in einer langgestreckten schmalen Siegelfläche 9 ausläuft. Die Breite der Siegelfläche 9 entspricht der Breite der querverlaufenden Versiegelungsnaht. Um die erforderliche Länge der querverlaufenden Versiegelungsnaht zu erzielen, muss eine Anzahl Versiegelungseinheiten 1 miteinander integriert werden, um so eine komplette Einheit für die Ausrüstung zur Versiegelung zu bilden.
Da eine Einheit 1 zur Ultraschallversiegelung der vorstehend beschriebenen Art eine äußerst komplizierte Geometrie aufweist, liegt in der Knotenebene 10 auch dann noch eine kleinere Restbewegung vor, wenn die Amplitude in der Knotenebene 10 Null ist. Wie aus dem unteren Teil von Fig. 2 ersichtlich ist, besteht diese Bewegung aus einer Kombination aus einer Schwingung in Längsebene und aus einer Biegeschwingung. Die Bewegung lässt sich als Wellenbewegung in einer Ebene beschreiben. Dabei besteht die Absicht, dass sich nur die Schwingung in Längsebene, also die Schwingung der Einheit 1 zum Ultraschallverschweißen, welche für die Arbeit der Einheit 1 erforderlich ist, zu den Keramikplatten 3 in der Antriebseinheit 2 fortpflanzt. Die piezoelektrischen Keramikplatten 3 sind gegenüber erheblicher Druckbelastung zwar widerstandsfähig, doch sind sie spröde und gegenüber Zugbelastung und Biegebelastung hoch empfindlich. Deshalb ist es wünschenswert, dass nur die Schwingungen in Längsrichtung, wie sie im oberen Teil von Fig. 2 dargestellt sind, zu den Keramikplatten 3 in der Antriebseinheit 2 weitergeleitet werden.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die erfindungsgemäße Anordnung aus einer Dichtscheibe 12 mit denselben Abmessungen wie die Keramikplatten 3 besteht, wobei die Dichtscheibe zwischen die Keramikplatten 3 und die Knotenebene 10 der Versiegelungseinheit 1 eingesetzt ist. Die Dichtscheibe wird von der Spannschraube 6 in ihrer Stellung gehalten, welche die Keramikplatten 3, die Metallbleche 4 und das Gegengewicht 5 unter hohem Druck zusammenhält. Die Dichtscheibe 12 bildet einen Abstandshalter H zwischen den Keramikplatten 3 und dem Korpus 13 der Versiegelungseinheit 1.
Die Dichtscheibe 12 sollte aus einem Werkstoff hergestellt sein" der die Schwingungen in Längsrichtung nicht dämpft, welche für die Versiegelungsarbeit der Versiegelungseinheit 1 von grundlegender Bedeutung sind, was bedeutet, dass der Werkstoff einen hohen Q-Wert aufweisen muss. Andererseits muss die Dichtscheibe 12 die schädlichen Biegeschwingungen abschwächen, so dass diese die bruchempfindlichen Keramikplatten 3 nicht zerstören können. Die Dichtscheibe wird deshalb aus einem Werkstoff hergestellt, dessen Elastizitätsmodul geringer ist als in den Materialien, von denen die Dichtscheibe 12 umgeben ist, was bedeutet, dass das Elastizitätsmodul der Keramikteile bei etwa 75-120 GPa liegt, während das Elastizitätsmodul des Materials, aus dem der Korpus 13 der Versiegelungseinheit 1 besteht darüber liegt. Die Knotenebene 10 mit der Verankerungskante 11, den Reaktionskörpern 7 und dem Horn 8, die zusammen einen homogenen Korpus 13 bilden, werden normalerweise aus Titan hergestellt, das ein Elastizitätsmodul von etwa 110 GPa aufweist. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Dichtscheibe 12 aus Aluminium gefertigt, dessen Elastizitätsmodul 70 GPa beträgt. In den Fällen, in denen der homogene Korpus 13 in der Einheit 1 aus Aluminium hergestellt ist, sollte die Dichtscheibe aus einem Material gewählt werden, das ein niedrigeres Elastizitätsmodul als Aluminium besitzt, beispielsweise aus Chrom oder Wismut. Eine Alternative besteht in der Verwendung einer Dichtscheibe, deren Elastizitätsmodul gleich dem der Materialien in der Umgebung oder höher als dieses ist, also in den Keramikteilen oder im Material des Korpus 13. Versuche haben jedoch gezeigt, dass die Arbeitsergebnisse der Versiegelungseinheit 1 besser werden, wenn in der Dichtscheibe ein Werkstoff zum Einsatz kommt, der ein niedrigeres Elastizitätsmodul aufweist.
Da sich die Fläche der Knotenebene 10, in der die Antriebseinheit 2 befestigt werden soll, nur mit Schwierigkeiten aus Titan herstellen lässt, damit sie vollständig glatt und eben ist, gleicht die weiche Dichtscheibe 12 aus Aluminium jede mögliche Unebenheit aus. Die weiche Aluminiumfläche lässt sich darüber hinaus leicht formen, so dass die Anlage der Dichtscheibe 12 gegen die Keramikplatten 3 so flach wie möglich ist.
Wenn eine Reihe (vorzugsweise drei) Versiegelungseinheiten 11 in einer Einfüllmaschine zusammengebaut werden, um so eine ausreichend lange querverlaufende Schweißnaht zu erzielen, bestehen äußerst strenge Anforderungen an die Einheiten insofern, als diese mit derselben Amplitude arbeiten müssen. Außerdem können in denselben Räumen mehrere Abfüllmaschinen in Betrieb sein, weshalb die Versiegelungseinheiten 1 zur Gänze austauschbar sein müssen. Die piezoelektrischen Keramikplatten 3 lassen sich jedoch nur mit Schwierigkeiten mit genau denselben Eigenschaften in jeder Beziehung herstellen, weshalb Abweichungen unter Umständen Schwankungen in der Amplitude der verschiedenen Einheiten 1 herbeiführen können. Verändert man nun die Abmessungen der zwischen den Keramikplatten 3 und der Knotenebene 10 liegenden Dichtscheibe 12 in ihrer Dicke, so ist es möglich, die Amplitude der Antriebseinheit auf einen vorgegebenen und vorgewählten Amplitudenwert einzustellen. Die Amplitude wird in der Weise verändert, dass eine dünnere Dichtscheibe 12 zu einer kleineren Amplitude und eine dickere Dichtscheibe 12 zu einer größeren Amplitude führt. Die Amplitude wird deshalb verändert, weil sich der elektromechanische Kopplungsfaktor verändert.
Eine Alternative zur Veränderung der Dicke der Dichtscheibe 12 besteht darin, das Material in der Dichtscheibe 12 zu ändern, indem stattdessen ein Werkstoff mit einem anderen Elastizitätsmodul verwendet wird. Eine andere Alternative besteht darin, die Größe der Berührungsfläche bzw. Grenzfläche zwischen der Dichtungsscheibe 12 und dem Korpus 13 auf der Versiegelungseinheit zu verändern. Die Oberfläche der Dichtscheibe 12 gegenüber den Keramikplatten 3 sollte jedoch gleich der Oberfläche der Keramikplatten 3 sein. Die bevorzugte Alternative, welche die wirtschaftlichste Lösung darstellt und sich am einfachsten herstellen lässt, ist jedoch die vorstehend beschriebene erste Ausführung, bei welcher die Höhe H der Dichtscheibe 12 so verändert wird, dass man die gewünschte Amplitude erhält.
Durch Kalibrieren der Keramikplatten 3 ist es möglich, eine spezielle Dichtscheibe 12 auszuwählen und dadurch schon in der Produktionsphase der Einheit 1 zur Ultraschallversiegelung Einheiten 1 zu erhalten, die alle mit derselben Amplitude arbeiten.
Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, wird mit der erfindungsgemäßen Anordnung eine Antriebseinheit 2 geschaffen, in welcher sich restliche Biegeschwingungen in der Knotenebene 10 der Einheit 1 nicht bis zu den empfindlichen Keramikplatten 3 in der Antriebseinheit 2 fortpflanzen.
Wird die erfindungsgemäße Anordnung eingesetzt, ist es darüber hinaus möglich, alle hergestellten Versiegelungseinheiten in der Weise anzusteuern, dass sie alle mit derselben Amplitude arbeiten. Diese Amplitude wird ansonsten durch Unterschiede in den Eigenschaften der Keramikplatten 3 beeinflusst, weshalb es möglich ist, die standardmäßigen Anforderungen an die Keramikplatten 3 zu verringern.
Die vorliegende Erfindung soll nicht als eingeschränkt auf das gelten, was in der vorstehenden Beschreibung ausgeführt und in der Zeichnung dargestellt ist, da viele Modifizierungen denkbar sind, ohne über den Umfang der beiliegenden Ansprüche hinauszugehen.

Claims

1. Ultraschall-Versiegelungseinheit (1) zum Versiegeln von thermoplastischem Material, welche folgendes aufweist:

einen homogenen Korpus (13) und eine Antriebseinheit (2), wobei die Antriebseinheit (2) piezoelektrische Keramikplatten (3), leitfähige Bleche (4) zur elektrischen Ankopplung an eine Wechselstromquelle, einen Gegengewichtskörper (5) und eine Spannschraube (6) zum Anbringen der Antriebseinheit (2) an dem homogenen Korpus (13) umfasst,

dadurch gekennzeichnet,

dass eine Dichtscheibe (12) als Abstandhalter (H) zwischen dem homogenen Korpus (13) und den Keramikplatten (3) eingesetzt ist, und

dass die Dichtscheibe (12) aus einem Werkstoff hergestellt ist, dessen Elastizitätsmodul kleiner als das E-Modul in dem Material, aus dem der homogene Korpus (13) hergestellt ist, und in dem Material der Keramikplatten (3) ist.

2. Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtscheibe (12) in etwa dieselben Abmessungen wie die Keramikplatten (3) aufweist.

3. Einheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtscheibe (12) zwischen den Keramikplatten (3) und dem homogenen Korpus (13) an der Knotenebene (10) der Einheit (1) eingesetzt ist.

4. Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff der Dichtscheibe (12) einen hohen Q-Wert besitzt.

5. Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtscheibe aus weichem Aluminium mit einem Elastizitätsmodul von etwa 70 GPa besteht.

6. Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berührungsfläche der Dichtscheibe (12) gegenüber der benachbarten Keramikplatte (3) identisch mit der Berührungsfläche der letzteren gegenüber der Dichtscheibe (12) ist.

7. Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtscheibe aus Chrom oder Wismut besteht.

8. Vorrichtung zum Versiegeln von thermoplastischem Material, welche eine Vielzahl von Einheiten (1) zur Ultraschallversiegelung nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass jede Versiegelungseinheit (1) eine Dichtscheibe (12) aufweist, die sich von den Dichtscheiben in anderen Versiegelungseinheiten durch andere Dickenwerte und/oder andere Werkstoffe mit einem anderen Elastizitätsmodul und/oder durch unterschiedliche Größen der Berührungsflächen unterscheidet.