Verfahren und Vorrichtung zum Verschweißen von Kunststofffolien

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen von Kunststofffolien, bei dem zumindest zwei Kunststofffolien übereinanderliegend von mindestens einem Schweißelement erhitzt werden, das von einem Servomotor angetrieben auf- und abbewegt wird und eine Vorrichtung zum Verschweißen von Kunststofffolien zur Herstellung von Beuteln, Taschen oder dergleichen.

Bei der Herstellung von Beuteln, Taschen oder dergleichen aus thermoplastischen Kunststofffolien werden bekannterweise die zu verschweißenden Folien übereinanderliegend zwischen aufheizbaren Schweißelementen hindurchgeführt und durch Erhitzen miteinander verbunden. Zur Herstellung von beispielsweise quer zur Laufrichtung der Kunststofffolien verlaufenden Schweißnähten durch Querschweißen werden die Folien taktweise vorgeschoben und von mindestens einem auf- und abbewegbaren balkenförmigen Schweißelement im Stillstand für eine bestimmte Zeit erhitzt.

Aus der DE 102 34 509 A1 ist es bekannt, Schweißbalken mittels Servoantrieben auf- und abzubewegen. Die Servomotoren sind mit den Schweißbalken über einen Kurbeltrieb verbunden, um die Kreisbewegung des Motors in eine im Wesentlichen lineare Auf- und Abbewegung des Schweißbalkens umzuwandeln.

Bei den bekannten Anwendungen wird der einen Schweißbalken antreibende Servomotor immer in einem Bewegungssinn mit unterschiedlichen Drehzahlen betrieben, wobei nur in einem begrenzten Kreisabschnitt die gewünschte Funktion, nämlich die Auf- und Abbewegung des Schweißbalkens realisiert ist. In der Regel beträgt der nutzbare Weg des Servomotors im Verhältnis zu seinem Gesamtweg nur ein Viertel oder sogar weniger. Daraus resultiert eine entsprechend geringe Kontaktzeit des Schweißbalkens mit der Folie und damit eine entsprechend geringe Aufheizzeit während des Stillstands zwischen zwei Vorschubtakten.

Für eine hohe Qualität der Schweißnaht, insbesondere für deren Reißfestigkeit, ist man bestrebt, möglichst lange Aufheizzeiten beim Verschweißen zu erreichen. Besonders beim Verschweißen in zwei Stufen, d.h. durch Vor- und anschließendes Endschweißen, ist es vorteilhaft, beim Vorschweißen möglichst lange zu erhitzen, bevor nach einem Vorschub in einer nachfolgenden Station die Endschweißung durchgeführt wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem sich Schweißnähte mit verbesserter Qualität mit verringertem maschinellen Aufwand herstellen lassen. Eine weitere Aufgabe liegt darin, eine Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.

Die erste Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Patentanspruch 10 löst die zweite Aufgabe.

Die abhängigen Ansprüche enthalten bevorzugte, d.h. besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Das Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung sind für das Quer- und/oder Längsschweißen von Kunststofffolie, vorzugsweise für das Querschweißen, geeignet. Beim Verschweißen von Kunststofffolien werden die Kunststofffolien mittels Schweißelement miteinander verschweißt. Auch kann das Schweißelement zum Trennschweißen verwendet werden, bei dem während des Verschweißens die Folien zusätzlich durch den Schweißbalken getrennt werden. Bei der Erfindung wird die rotatorische Bewegung des Servomotors in eine translatorische Bewegung, vorzugsweise mittels eines Getriebes nach Art eines Kurvengetriebes, umgewandelt, mit der das Schweißelement auf- und abwärts bewegt wird.

Der Servomotor überstreicht während der Kontaktzeit des Schweißelements mit der Folie einen Winkel von maximal 120 °, insbesondere ca. 90 °, wodurch sich eine verlängerte Schweißzeit ergibt.

Mit Hilfe der Erfindung können die Kunststofffolien in zwei Stufen verschweißt werden, wobei zumindest eine Stufe mit einem Verfahren betrieben wird, bei dem der Servomotor reversibel mit wechselndem Umlaufsinn betrieben wird.

Die Bewegung von dem Getriebe auf das Schweißelement kann mittels mindestens eines Luftzylinders gedämpft werden, wodurch sich eine längere Schweißzeit ergibt.

Die Kontaktzeit des Schweißelementes mit den Kunststofffolien kann mittels der veränderbaren Dämpfung des Luftzylinders eingestellt werden.

Mittels des Arbeitsdrucks des Luftzylinders kann der Schweißdruck des Schweißelementes auf die Kunststofffolien verändert werden.

Mittels des Getriebes, das mindestens eine exzentrische Scheibe enthält, kann die Kontaktzeit des Schweißelements mit den Kunststofffolien eingestellt werden. Die genannten Verfahrensweisen haben mehrere Vorteile:

Es sind kleinere Motor-Reglerkombinationen möglich. Dies führt zu Kosteneinsparungen. Die Bewegung mit wechselndem Umlaufsinn führt zu einer geringen Schwungmasse. Daher können mechanische Bauteile zur Versteifung entfallen.

Zu bekannten Systemen lässt sich die Kontaktzeit verdoppeln bis verdreifachen und durch die Möglichkeit, mit konstanten Zeiten zu fahren, ergeben sich verfahrenstechnische Vorteile.

Die Verfahrensweisen sind besonders vorteilhaft, wenn die Kunststofffolien in zwei Stufen durch Vorschweißen und Endschweißen miteinander verschweißt werden. Dabei wird zumindest das Vorschweißen mit dem Verfahren nach der Erfindung betrieben, um eine möglichst lange Schweißzeit zu erreichen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines vereinfacht dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 den Bewegungsablauf des Servomotors und

Fig. 3 das Geschwindigkeitsprofil des Servomotors.

In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau einer Schweißvorrichtung einer Beutelherstellungsmaschine mit mindestens einem Schweißelement, im Beispiel zwei Schweißelementen, nämlich einem Schweißbalken 1 und einem unteren Querbalken 2, dargestellt. Der Schweißbalken 1 und der untere Querbalken 2 weisen dabei eine Arbeitslänge von bis zu einem Meter auf. Der untere Querbalken 2 dient im Beispiel als Schweißauflage für den Schweißbalken 1. Die Vorrichtung besteht aus einem Servomotor 4, der mittels eines Zugmittelgetriebes, im Beispiel mittels eines Zahnriemens 8, mit einem Getriebe, im Beispiel nach Art eines Kurvengetriebes 6, verbunden ist. Das Kurvengetriebe 6 enthält einen zylinderförmigen Antriebstrang, auf den zumindest eine exzentrische Scheibe, im Beispiel drei exzentrische Scheiben 14a, 14b, 14c, aufgeflanscht ist, und einen Abtriebstrang, im Beispiel in Form von drei hohl- zylinderförmigen Laufringen 13a, 13b, 13c. Die Laufringe 13a, 13b, 13c sind dabei im Innendurchmesser größer als der maximale Außendurchmesser der exzentrischen Scheiben 14a, 14b, 14c, so dass jeweils eine exzentrische Scheibe 14a, 14b, 14c in jeweils einem Laufring 13a, 13b, 13c rotieren kann. Dabei stellt der Laufring 13a, 13b, 13c einen Außenring und die exzentrische Scheibe 14a, 14b, 14c einen Innenring dar. Die Laufringe 13a, 13b, 13c und die exzentrische Scheiben 14a, 14b, 14c sind über Wälzkörper gelagert. Der Antriebsstrang ist zusätzlich am Rand im Maschinengestell gelagert und mittig mittels einer Lagervorrichtung gelagert.

Die drei Laufringe 13a, 13b, 13c sind mit mindestens einem Luftzylinder, im Beispiel mit jeweils einem Luftzylinder 5a, 5b, 5c, verbunden.

Die drei Luftzylinder 5a, 5b, 5c sind auf der anderen Luftzylinderseite mit einem Holm 7 verbunden, der die Ausdehnung des Schweißbalkens 1 durch die notwendige Erwärmung des Schweißbalkens 1 während des Verschwei- ßens mittels Tellerfedern, im Beispiel zwei Tellerfedem 10a, 10b, und Zugschrauben, im Beispiel zwei Zugschrauben 12a, 12b, aufnimmt beziehungsweise ausgleicht.

Der Schweißbalken 1 ist mittels Distanzwinkel, im Beispiel sechs Distanzwinkeln 9a, 9b, 9c, 9d, 9e, 9f, mit dem Holm 7 verbunden. Der Holm 7 wird mittels einer Verschiebeführung translatorisch im Maschinengestell geführt. Die rotatorische Bewegung des Servomotors 4 ist mittels des Kurvengetriebes 6 in eine translatorische Bewegung umwandelbar, mit der der Schweißbalken 1 auf- und abwärts bewegbar ist. Durch die Verschiebeführung wird der Schweißbalken 1 auch translatorisch geführt. Zwischen dem Schweißbalken 1 und dem unteren Querbalken 2 wird Teflonfolie, im Beispiel zwei Lagen Teflonfolie, und Kunststofffolie 3, im Beispiel zwei Lagen Kunststofffolie 3, zum Verschweißen hindurchgeführt. Dabei läuft zwischen der oberen Lage Kunststofffolie 3 und dem Schweißbalken 1 eine Lage Teflonfolie und zwischen der unteren Lage Kunststofffolie 3 und dem unteren Querbalken 2 eine Lage Teflonfolie hindurch, um am Schweißbalken 1 Verklebungen durch das Verschweißen von Kunststofffolien 3 zu ^' vermeiden. Zum Verschweißen wird Kunststofffolie 3 und Teflonfolie taktweise zwischen dem Schweißbalken 1 und dem unteren Querbalken 2 in der Vorrichtung um ein bestimmtes Format gesteuert hindurchgeführt. Während des Schweißvorgangs stehen die Teflonfolien und die Kunststofffolien 3 in der Vorrichtung still.

Der Servomotor 4 ist reversibel mit wechselndem Umlaufsinn betreibbar. Durch eine Steuerung des Servomotors 4 sind die Start- und Stoppposition, die Drehzahl, der überstrichene Winkelbereichswert während des Kontakts und die Kontaktzeit einstellbar. Wie in Fig. 2 dargestellt ist im Ausführungsbeispiel die Drehbewegung des Servomotors 4 auf 180° durch die Steuerung begrenzt. Die Startposition des Servomotors 4 liegt im Beispiel bei 270°. Zum Verschweißen dreht der Servomotor 4 von 270° auf 90° im Uhrzeigersinn. Der Bereich zwischen 270° und 90° teilt sich in drei Bereiche auf: einem Einfahrwinkel, einem Kontaktwinkel und einem Ausfahrwinkel. Die Zeit, die für den Einfahr-, Kontakt- und Ausfahrwinkel verwendet wird, ist variabel mittels der Steuerung des Servomotors 4 einstellbar, indem die Drehzahl des Servomotors 4 für die jeweilige notwendige Schweißzeit eingestellt wird. Mit steigender Drehzahl des Servomotors 4 im Kontaktwinkel verkürzt sich die Kontaktzeit, da der Kontaktwinkel schneller durchfahren wird. Umgekehrtes gilt für eine sinkende Drehzahl des Servomotors 4 im Kontaktwinkel.

Ebenso ist die Dauer des Durchfahrens von Einfahr- und Ausfahrwinkel an die Drehzahl des Servomotors 4 direkt gekoppelt. Wie in Fig. 3 dargestellt durchläuft, der Servomotor den gesamten Winkelbereich von 270° auf 90° in einer definierten Zeit, im Beispiel konstanten Zeit von 300 ms. Zuerst wird der Einfahrwinkel von 45° in einer definierten Zeit, im Beispiel konstanten Zeit von 50 ms, durchfahren. Wie in Fig. 2 dargestellt endet der Einfahrwinkel bei 315°.

An den Einfahrwinkel schließt der Kontaktwinkel an und erstreckt sich von 315 ° auf 45°. Somit ergibt sich ein Kontaktwinkel von 90°. Der Winkel 0° wird beim Durchfahren des Kontaktwinkels als unterer Totpunkt bezeichnet. Wie Fig. 3 zeigt wird der Kontaktwinkel auch in einer definierten Zeit, im Beispiel konstanten Zeit von 200 ms, durchfahren.

Wie in Fig. 2 beziehungsweise Fig. 3 dargestellt wird der Winkelbereich von 45° bis 90° als Ausfahrwinkel bezeichnet und wird auch in einer definierten Zeit, im Beispiel konstanten Zeit von 50 ms, durchfahren.

Bei 90° ist die Stoppposition des Servomotors erreicht. In dieser Position wartet der Servomotor 4 auf den nächsten Startbefehl, wonach die Bewegung mit entgegengesetzten Umlaufsinn wiederholt wird.

Beim Durchfahren des Kontaktwinkels ist, wie in Fig. 3 dargestellt, die Drehgeschwindigkeit des Servomotors 4 und somit die Drehzahl des Servomotors 4 am höchsten. Beim Durchfahren des Einfahr- und Ausfahrwinkels wird die Drehzahl des Servomotors 4 jeweils im Einfahrwinkel erhöht bzw. im Ausfahrwinkel verringert.

Im Ausführungsbeispiel werden Kunststofffolien 3 mittels eines auf- und abbewegbaren, sich quer über die Arbeitsbreite erstreckenden Schweißbalkens 1 , der mit einem Servomotor 4 als Hubantrieb verbunden ist, wobei der Servomotor 4 reversibel mit wechselndem Umlaufsinn betreibbar ist, und eines unteren Querbalkens 2 durch Querschweißen in nur einer Stufe, dem Endschweißen, verschweißt. Zum Verschweißen ist der Schweißbalken 1 auf die zum Verschweißen erforderliche Temperatur aufgeheizt. Auch der untere Querbalken 2 ist auf die zum Verschweißen erforderliche Temperatur aufgeheizt. Die Drehbewegung des Servomotors 4 ist über den Zahnriemen 8 mit dem Antriebstrang des Kurvengetriebes 6 über eine Übersetzung, im Beispiel mittels zweier nicht koaxialer Wellen mit unterschiedlichem Bauumfang, gekoppelt. Die Drehbewegung des Servomotors 4 wird mittels des Kurvengetriebes 6 in eine Hubbewegung des Schweißbalkens 1 umgewandelt. Im Einfahrwinkel des Servomotors 4 senkt sich der Schweißbalken 1 in Richtung des unteren Querbalkens 2 ab. Durch den Abstand des Schweißbalken 1 von der Position zum Verschweißen ergibt sich der notwendige Einfahrwinkel des Servomotors 4, der im Beispiel aufgrund des Abstandes von dem Schweißbalken 1 zu der Schweißposition 45° ist. Im Einfahrwinkel wird der Servomotor 4 auf eine konstante Drehzahl beschleunigt.

Wenn der Schweißbalken 1 die Teflonfolien, die Kunststofffolien 3 und den unteren Querbalken 2 berührt, d.h. die Position zum Verschweißen erreicht ist, durchfährt der Servomotors 4 den Kontaktwinkel.

Durch die Dämpfung der Luftzylinder 5a, 5b, 5c wird die weitere translatorische Bewegung von dem Kurvengetriebe 6 auf den Schweißbalken 1 mittels der Dämpfung in den jeweiligen Luftzylindern 5a, 5b, 5c aufgenommen. Mittels der Luftzylinder 5a, 5b, 5c ist somit die Bewegung von dem Kurvengetriebe 6 auf das Schweißelement 1 dämpfbar. Die Kontaktzeit des Schweißbalkens 1 mit den von zwei Teflonfolien umgebenen und vom unteren Querbalken 2 abgestützten Kunststofffolien 3 ist somit mittels der veränderbaren Dämpfung der drei Luftzylinder 5a, 5b, 5c einstellbar. Die Dämpfung der jeweiligen Luftzylinder 5a, 5b, 5c wird durch Erhöhung und Verringerung der Luftmenge in den jeweiligen Luftzylindern 5a, 5b, 5c eingestellt. Die Kontaktzeit des Schweißbalkens 1 mit den von zwei Teflonfolien umgebenen und vom unteren Querbalken 2 abgestützten Kunststofffolien 3 ist mittels des Kurvengetriebes 6 einstellbar. Der Schweißdruck des Schweißbalkens 1 auf die von zwei Teflonfolien umgebenen und vom unteren Querbalken 2 abgestützten Kunststofffolien 3 ist mittels des Arbeitsdrucks der drei Luftzylinder 5a, 5b, 5c veränderbar. Im Beispiel ist der Arbeitsdruck der drei Luftzylinder 5a, 5b, 5c mittels eines Manometers auf einen konstanten Wert eingestellt.

Nach Durchschreiten des unteren Totpunkts im Kontaktwinkel bei 0° werden die Luftzylinder 5a, 5b, 5c wieder entlastet. Im Ausfahrwinkel sind die Luftzylinder 5a, 5b, 5c wieder vollkommen entlasted, d.h. die drei Luftzylinder 5a, 5b, 5c dämpfen nicht mehr, und der Schweißbalken 1 hebt sich von der Teflonfolie, den verschweißten Kunststofffolien 3 und dem unteren Querbalken 2 ab, bis die Stoppposition des Servomotors 4 erreicht wird. Im Ausfahrwinkel wird die Drehgeschwindigkeit des Servomotors 4 bis zum Stillstand verzögert, was dazu führt, dass der Schweißbalken 1 sich bei Stillstand des Servomotors 4 nicht mehr mit einer Hubbewegung bewegt und auch still steht.

Die Kunststofffolien 3 und die Teflonfolien werden nach Erreichen des Ausfahrwinkels des Servomotors 4 um ein bestimmtes Format wieder durch den Schweißbalken 1 und den unteren Querbalken 2 hindurchgeführt. Für eine weitere Verschweißung wechselt der Servomotor 4 seine Umlaufrichtung und die Verschweißung der Kunststofffolien 3 kann erneut beginnen.