Die Erfindung betrifft eine Schweißnaht, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden von Kunststofffolien durch thermisches Fügen, wobei die Kunststofffolien zwischen Schweißbacken entlang einer Schweißnaht verbunden werden. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung einer Schlagpresse.

Ein wichtiges Anwendungsgebiet für das thermische Fügen von Kunststofffolien ist das Herstellen und Verschließen von Verpackungen aus Kunststofffolie, z. B. Schlauchbeutel, wobei der Vorgang dort auch als Siegeln bzw. Heißsiegeln bezeichnet wird. Neben Verfahren und Vorrichtungen zum Verbinden von Kunststofffolien durch thermisches Fügen mittels beheizter Schweißbacken, auch als Siegelbacken bezeichnet, die Teile der Kunststofffolien aufschmelzen, gibt es vielfältige Bestrebungen, auf beheizte Schweißbacken zu verzichten. Dafür sind vor allem zwei Gründe ausschlaggebend, das Verpacken wärmeempfindlicher Güter, das ohne Eintrag zusätzlicher Wärmeenergie vollzogen werden soll, und die Verringerung des Energieverbrauchs im Prozess. Als Kunststofffolie, die allgemeine Bezeichnung für die im Rahmen der Erfindung einsetzbaren Werkstoffe, kommen insbesondere Monofolien, die aus nur einem Kunststoffmaterial bestehen, Monofolienverbünde, Verbundfolien aus mehreren unterschiedlichen Kunststoffmaterialien mit Aluminiumbarriere, kompostierbare und wasserlösliche Kunststofffolien sowie Schrumpffolien - alle vorgenannten müssen thermisch schmelzbar sein - in Betracht.

Durch das thermische Fügen mittels Ultraschall, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, kann bereits auf beheizte Schweißbacken verzichtet werden. Die erforderliche thermische Wirkung wird nicht von außen eingeleitet, sondern in den zu verschweißenden Folien selbst durch die Wärmeentwicklung im Kunststoffmaterial, basierend auf dem Energieeintrag aus den Ultraschallschwingungen, hervorgerufen. Auf diesem Effekt beruhen die Lösungen zum Ultraschallsiegeln, die beispielsweise die Druckschriften DE 699 26 758 T2, DE 10 2009 046 319 A1 und DE 10 2017 121 572 A1 , hier in Kombination mit dem Heißsiegeln, beschreiben. Allerdings sind die für das Ultraschallsiegeln erforderliche maschinentechnische Ausrüstung und die Erzeugung des Ultraschalls sehr aufwändig, sowohl von der Anlagentechnik, als auch von Energieeinsatz her.

Auch andere Verfahren zur Bearbeitung von Kunststofffolien, wie z. B. das Trennen von Kunststofffolien durch einen Schlagimpuls mittels einer Folienstanze gemäß der Druckschrift DE 10 2015 211 622 A1 , sind nicht geeignet, eine Schweißnaht auszubilden und die Kunststofffolien miteinander zu verbinden.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schweißnaht zur Verbindung von Kunststofffolien sowie ein robustes, unaufwändiges Verfahren und eine einfache Vorrichtung zum Verbinden von Kunststofffolien durch thermisches Fügen anzubieten, wobei die Kunststofffolien zwischen unbeheizten Schweißbacken entlang einer Schweißnaht schnell, sicher und energiesparend verbunden werden. Eine weitere Aufgabe der Erfindung sieht die Verwendung einer Schlagpresse vor.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Schweißnaht zur Verbindung von Kunststofffolien, hergestellt durch thermisches Fügen zwischen Schweißbacken, wobei ein Stoffschluss zwischen den beteiligten Kunststofffolien hergestellt wird. Nach der Erfindung wird das thermische Fügen in der Weise definiert, dass die Kunststofffolien zunächst gequetscht oder anderweitig deformiert werden, wodurch in den Kunststofffolien die für die Ausbildung der Schweißnaht erforderliche Wärme entsteht und die Kunststofffolien miteinander verschmilzt.

Der für die Verbindung aufgeschmolzene Kunststoff beschränkt sich erfindungsgemäß auf den Bereich der vergleichsweise schmalen Schweißnaht, denn das thermische Fügen zwischen einem Paar unbeheizter Schweißbacken erfolgt durch einen Schlagimpuls auf die zwischen den Schweißbacken angeordneten Kunststofffolien, die bei horizontaler Ausrichtung der Kunststofffolien parallel bzw. bei horizontaler Ausrichtung übereinander liegen. Das thermische Fügen erfolgt durch Vorgänge im Material selbst, denn erst der Schlagimpuls und die daraus resultierende Umformung in der Wirkzone, wo der Schlagimpuls auftrifft, führt zur schnellen, kurzzeitigen Erwärmung und zum erwünschten Stoffschluss.

Ein Paar unbeheizter Schweißbacken liegt auch dann vor, wenn eine Schweißbacke gegen ein Widerlager mit einer Ausdehnung arbeitet, die über der Ausdehnung der Schweißnaht liegt. Das Widerlager bildet dann die zweite Schweißbacke des Paars.

Der Schlagimpuls ist eine im Wesentlichen senkrecht zur Folienlage in Richtung auf die Folienlage zu verlaufende Hubbewegung wenigstens einer der Schweißbacken. Diese Hubbewegung erfolgt mit einer Dauer des Eindringens (nachfolgend als Eindringdauer bezeichnet) wenigstens einer der Schweißbacken in die Kunststofffolien kürzer als 10 ms. Der Schlagimpuls wirkt mit zumindest einer ersten Intensität auf die Kunststofffolien ein. Er wird vorzugsweise durch einen mechanischen Antrieb hervorgerufen, alternativ durch einen elektrischen Magnetantrieb.

Die Breite der Schweißnaht beträgt vorzugsweise zwischen der halben und der zweifachen Dicke jeder der Kunststofffolien. Nach einer Ausführungsform bzw. Anwendung der Erfindung ist die Schweißnaht als eine Längsnaht ausgebildet, die die Kunststofffolie im Bereich gegenüberliegender Ränder, wo die beiden Ränder einer Folienbahn übereinandergelegt sind und die übereinander angeordneten Kunststofffolien im Sinne der Erfindung bilden, verbindet. Durch die Längsnaht wird aus der Kunststofffolie ein Folienschlauch gebildet. Die übereinander angeordneten Kunststofffolien können daher auch eine umgeschlagene einzelne Folie sein. Wird zudem in dem derart gebildeten Folienschlauch eine Schweißnaht als wenigstens eine Quernaht ausgebildet, die den Folienschlauch an wenigstens einem Ende, vorzugsweise mit einer Bodennaht, abschließt, wird ein Schlauchbeutel erzeugt. Zum Verschließen des Schlauchbeutels wird auch die verbleibende Öffnung mit einer Quernaht, in der Regel mit einer Kopfnaht, versehen.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Schweißnaht wirkt der Schlagimpuls mit einer zweiten, höheren Intensität im Vergleich zu der ersten Intensität auf die Kunststofffolien ein, wodurch unmittelbar nach, praktisch gleichzeitig mit dem Erzeugen der Schweißnaht diese getrennt wird und beidseits einer Trennlinie verschweißte Kunststofffolien bestehen bleiben. Dadurch kann beispielsweise ein Überstand an der Längsnaht abgetrennt oder die Quernaht zwischen zwei Schlauchbeuteln getrennt werden. Das Trennen erfolgt mechanisch durch Quetschen, zugleich thermisch durch Schmelzen mittels der auch zum Fügen genutzten Erwärmung.

Als besonders vorteilhaft hat sich eine Schweißnaht erwiesen, die in eine wärmeempfindliche Schrumpffolie, ebenfalls eine Kunststofffolie, eingebracht wird. Da sich die zum thermischen Fügen eingetragene Wärme nur auf die Schweißnaht, die Fügezone im engsten Verständnis beschränkt, der Wärmeeinflussbereich des Prozesses also die Fügezone nicht überschreitet, wird eine hohe Qualität der Schweißnaht erreicht und die Schrumpffolie nicht beeinträchtigt. Sie behält ihre vollständigen Schrumpfeigenschaften bei und verzieht sich nicht im Nahtbereich, wie es beim herkömmlichen Heißsiegeln der Fall ist. Eine weitere vorteilhafte Alternative ist eine Schweißnaht, die als wenigstens ein Schweißpunkt ausgeführt ist, in der Praxis durch eine Vielzahl von aneinandergereihten derartigen Schweißpunkten gebildet wird und die Kunststofffolien verbindet. Dadurch lassen sich in flexibler Weise beliebige Nahtformen, die jeweils aus einer Vielzahl von Schweißpunkten bestehen, herstellen, ohne das entsprechend geformte Schweißbacken nötig würden. Zudem ist eine geringe Impulsenergie für die kleine Fläche des einzelnen Schweißpunkts ausreichend, sodass die Anlage klein und ohne aufwändige Antriebe realisierbar ist. Die hohe Flexibilität geht allerdings zulasten der Effizienz.

Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Verbinden von Kunststofffolien durch thermisches Fügen, wobei die Kunststofffolien zwischen unbeheizten Schweißbacken entlang einer Schweißnaht verbunden werden. Jedenfalls ist es nicht nötig, die Schweißbacken zu beheizen, sondern eher nachteilig, vor allem wenn das Beheizen, eine externe Wärmezufuhr, zu einem Erweichen der Kunststofffolien führt. Gleichfalls verbietet sich ein Vorheizen der Kunststofffolie. Daher ist mit „unbeheizt“ eine Temperatur der Schweißbacken und der Kunststofffolien gemeint, die unter der Erweichungstemperatur der Kunststofffolien bleibt. Wenn aus anderen Gründen eine geringfügige Beheizung der Schweißbacken oder der Kunststofffolien erfolgt, so wirkt sich dies nicht auf das erfindungsgemäße Verfahren aus und die Schweißbacken bzw. die Kunststofffolien gelten als unbeheizt bzw. nicht vorgewärmt im Sinne der Erfindung. Dies unterscheidet die vorliegende Erfindung insbesondere vom Stand der Technik, wo die Schweißbacken auf oder über die Schmelztemperatur der zu verschweißenden Kunststofffolie erwärmt werden müssen.

Nach der Erfindung wird das thermische Fügen in der Weise definiert, dass die Kunststofffolien zunächst gequetscht oder anderweitig deformiert werden, wodurch in den die Kunststofffolien die für das Verschweißen der Kunststofffolien erforderliche Wärme entsteht und die Kunststofffolien miteinander verschmilzt. Zu diesem Zweck wirkt ein Schlagimpuls, weitergeleitet zu den Kunststofffolien durch wenigstens eine der Schweißbacken, mit zumindest einer ersten Intensität auf die Kunststofffolien ein und die Schweißnaht wird ausgebildet. Der Schlagimpuls, eine senkrecht zur Folienlage verlaufende Hubbewegung wenigstens einer der Schweißbacken mit einer Eindringdauer in die Kunststofffolien, die vom Beginn der Verzögerung des Werkzeugs, wenigstens einer der Schweißbacken, bis zu dessen Stillstand betrachtet wird, von weniger als 10 ms (Millisekunden). Vorzugsweise beträgt die Eindringdauer weniger als 5 ms, besonders bevorzugt weniger als 1 ms, dabei je nach Foliendicke 0,05 bis 0,5 ms. Dazu stürzt entweder das Werkzeug, vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit von 1 bis 5 m/s als Startgeschwindigkeit für den Schlagimpuls, auf die Kunststofffolien und wird während der Eindringzeit bis zum Stillstand abgebremst.

Allgemein hat sich gezeigt, dass bestimmte Prozesszeiten notwendig sind, um eine ausreichend hohe Temperatur, die Schmelztemperatur, für das Eindringen in bzw. das Durchdringen der Kunststofffolien zu erzeugen. Dabei ist für Foliendicken bis 2 x 100 pm (d. h. zwei Folien mit je 100 pm Stärke) eine Prozesszeit von 0,05 ms bis 0,3 ms notwendig. Die maximale Prozesszeit, mit der erfindungsgemäße Verfahren noch ausführbar ist, liegt bei 10 ms, wobei zwei Kunststofffolien mit einer Stärke von bis zu 200 pm verbunden werden können. Die bevorzugte Anfangsgeschwindigkeit des Werkzeuges vor dem Eindringen in die Folie beträgt 0,5 bis 6 m/s, mindestens jedoch etwa 0,1 m/s. Als Beginn des Eindringens werden ca. 20 % der Foliendicke angesehen und definiert, da zuvor die Rauheit und der elastische Bereich überwunden werden müssen.

Es hat sich weiterhin gezeigt, dass beim Einwirken des Schlagimpulses ein Energieeintrag von 1 bis 30 J (Joule) pro 100 mm Nahtlänge für eine Foliendicke von maximal 2 x 100 pm erfolgt, bis minimal 0,1 J pro 100 mm Schweißnaht für Kunststofffolien von 0,1 mm Dicke. Kunststofffolien mit einer Dicke zwischen 20 pm und 200 pm sind für das erfindungsgemäße Verfahren einsetzbar. Auch das Fügen von mehr als zwei Folienlagen ist möglich, z. B. von 4 Lagen übereinander bzw. parallel. Dies ist wichtig bei Lagensprüngen und der Herstellung von Standbodenbeuteln.

Der Schlagimpuls wird vorzugsweise durch einen mechanischen oder magnetischen Antrieb hervorgerufen. Alternativ zum Werkzeug, das unmittelbar auf die Kunststofffolie stürzt, werden die übereinander bzw. parallel angeordneten Kunststofffolien in einem vorgelagerten Schritt zwischen einem Paar der Schweißbacken mit einer Vorspannkraft gegeneinander gedrückt und in einem zweiten Schritt wirkt der Schlagimpuls, wie zuvor definiert und beschrieben. Dabei wird die Rauigkeit der Werkzeugoberflächen und vor allem der Kunststofffolien teilweise ausgeglichen. In allen Fällen entsteht in der Wirkungszone, der Schweißnaht, ein Temperatureffekt, der zu einem lokalen, während der Eindringdauer und der beim Eindringen erfolgenden mechanischen Beanspruchung sehr kurzzeitigen Aufschmelzen des Kunststoffs bei entsprechend hoher Verformungsgeschwindigkeit führt. Letztlich führt erst eine Verformung der Kunststofffolien im Bereich der Schweißnaht in ausreichendem, wenngleich geringem Umfang für die Entwicklung der Wärme zum Aufschmelzen in diesem Bereich der Fügezone.

Durch den sehr schnell ablaufenden Vorgang geht praktisch keine Wärme verloren und sie breitet sich, nicht zuletzt wegen des geringfügigen Wärmeeintrags, auch nicht auf nachteilige Weise über die Fügezone hinaus aus. Das Aufschmelzen bleibt somit auf die Wirkungszone, die Fügezone begrenzt. In der Folge wird weder die Umgebung durch unerwünschten Wärmeeintrag (z. B. die Umgebung der Schweißnaht in der Folie oder ein Packgut nahe der Schweißnaht) beeinflusst, noch fließt Wärme als Energieverlust an die Umgebung ab.

Es ist nicht erforderlich und sogar nachteilig, das Verfahren mit vorgeheizten bzw. vorgewärmten Kunststofffolien durchzuführen. Wegen des schnellen Temperaturanstiegs beim Schlagimpuls hat die Materialtemperatur kaum einen Einfluss, soweit es nicht sogar zu einem nachteiligen Erweichen des Materials kommt. Ist das Material zu weich, kommt nicht zu dem Umformvorgang, der die Erwärmung im Material erst hervorruft.

Ebenso verhält es sich mit den Schweißbacken, die nicht vorgeheizt bzw. nicht vorgewärmt sein müssen, da die zum Schweißen erforderliche Temperatur in sehr kurzer Zeit während des Schlagimpulses in der Kunststofffolie selbst erzeugt bzw. hervorgerufen wird. Die Erwärmung und das Aufschmelzen der Kunststofffolien werden deshalb vorteilhafterweise auf eine unmittelbare Wirkzone, in der als Fügezone die Schweißnaht gebildet wird, und eine minimale Kontaktzeit, insbesondere die oben näher erläuterte Eindringdauer, beschränkt. Durch die hohe Verformungsgeschwindigkeit erfolgt bei minimalem Energieeintrag eine adiabatische Erwärmung der Kunststofffolien in der Wirkzone ohne Wärmeaustausch mit der umgebenden Luft und den angrenzenden Bereichen der Kunststofffolien. Es wird nur so viel Material der Kunststofffolien verflüssigt, wie für deren Verbindung in der Schweißnaht nötig ist. Damit wird zugleich vermieden, dass flüssiges Material aus der Fügezone herausgedrückt wird und nicht an der Fügeverbindung teilnimmt. Die Naht wird sehr schmal, was nicht zuletzt zur Materialeinsparung führt. Daneben kommt es zur Zeitersparnis und zu einem sehr geringen Energiebedarf und -eintrag im Vergleich zu bekannten Verfahren wie dem Heißsiegeln. Zudem ist eine solch schmale Naht bzw. eine derart schmale Wirkzone des Wärmeeinflusses mit bekannten Verfahren, insbesondere herkömmlichen Heißsiegelverfahren nicht erreichbar, weil die Wärme zu schnell abgeleitet, mehr Wärme erforderlich und sich allein dadurch der erwärmte und erweichte Bereich der Kunststofffolien vergrößern würde.

Bei der Weiterleitung des Schlagimpulses wird von Schallgeschwindigkeit und von einer Stoßimpulszeit von unter 10 ms, vorzugsweise 5 ms, ausgegangen. Für den Impuls Stahl/Stahl wurde für die Strecke von 10 cm eine Zeit von 0,25 ms errechnet. Mit dem erfindungsgemäßen Schlagimpuls wird eine mit dem Ultraschallsiegeln vergleichbare Wirkung auf vergleichbare Materialien erzielt, allerdings wird anstelle einer großen Zahl von Impulsen geringer Amplitude nur ein einziger Impuls aufgebracht, der Schlagimpuls gemäß der Erfindung. Bei beiden Verfahren, dem Einsatz von Ultraschall und eines Schlagimpulses, erfolgt die für das thermische Fügen erforderliche Temperaturerhöhung durch eine physikalisch-chemische Wirkung im Kunststoff, aus dem die zu fügenden Folien bestehen. Zugleich werden mit der Erfindung weitergehende Vorteile verwirklicht, insbesondere der fehlende Wärmeeintrag und damit - im Fall der Anwendung auf eine Verpackung - der thermische Schutz des Packgutes. Diese Vorteile sind auch für den Einsatz des Ultraschallsiegelns ausschlaggebend, jedoch ist bei der Erfindung keine aufwändige Anlagentechnik mit Ultraschallerzeugung und Sonotrode erforderlich. Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist die Beschränkung der Erwärmung auf die Wirkzone des Siegelschlags zudem noch weitaus enger als beim Ultraschallsiegeln.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt der Schlagimpuls anstelle der ersten Intensität mit einer zweiten Intensität, die höher ist als die erste Intensität und so groß, dass zusammen mit dem thermischen Fügen bzw. unmittelbar im Anschluss daran, mit demselben Schlagimpuls, auch ein Trennen der Kunststofffolien in und entlang der Schweißnaht erfolgt. Die Schweißnaht selbst wird dabei längs geteilt.

Der Schlagimpuls wird insbesondere durch Federkraft, Fallgewicht oder einen mechanischen Antrieb hervorgerufen. Eine Möglichkeit des mechanischen Antriebs besteht in dessen Ausführung als Kurvenscheibengetriebe, mit dem besonders schnelle Bewegungen verzögerungsfrei und mit exakter Amplitude gesteuert werden können. Vor allem die Federkraft und das Fallgewicht können manuell in die Position gebracht werden, wo sie Kraft erzeugen, sodass das erfindungsgemäße Verfahren ohne externe Energiezufuhr ausgeführt werden kann.

Der Schlagimpuls wird im Falle der vertikalen Anordnung durch die obere Schweißbacke oder, alternativ hierzu, durch beide Schweißbacken, die gegeneinander wirken, aufgebracht. Insbesondere bei gegeneinander wirkenden Schweißbacken können diese auch für einen schnelllaufenden Prozess, beispielsweise in einer Schlauchbeutelmaschine, z. B. mit 100 Takten pro Minute, verwendet und in diesen integriert werden. Dabei können die Schweißbacken als Rollen, die beispielsweise zugleich als Vorschubrollen fungieren, ausgeführt sein, die die Vorspannkraft F _v aufbringen, während die Impulskraft F, durch einen Schlag auf die Rollen auf die Kunststofffolien übertragen wird.

Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch eine Vorrichtung zum Verbinden von Kunststofffolien durch thermisches Fügen, wobei die Kunststofffolien zwischen Schweißbacken entlang einer Schweißnaht verbunden werden. Nach der Erfindung wird das thermische Fügen in der Weise definiert, dass die Kunststofffolien zunächst gequetscht oder anderweitig deformiert werden, wodurch in den die Kunststofffolien die für das Verschweißen der Kunststofffolien erforderliche Wärme entsteht und die Kunststofffolien miteinander verschmilzt.

Zu diesem Zweck umfasst die Vorrichtung ein Paar Schweißbacken, zwischen denen beim thermischen Fügen die Kunststofffolien übereinander bei horizontaler Ausrichtung bzw. allgemein parallel zueinander angeordnet werden. Ein Schlagimpuls wird mit wenigstens einer ersten Intensität in wenigstens eine der Schweißbacken eingetragen und wirkt auf die Kunststofffolien ein, sodass es infolge von abrupten Gefügeveränderungen, einer schnellen Umformung des Materials, im selben Moment zum thermischen Fügen kommt. In der Folge wird in einem entsprechend der Länge der herzustellenden Schweißnaht (oder eines Teils davon) längs ausgedehnten Wirkbereich der Schweißbacken die Schweißnaht ausgebildet. Der Schlagimpuls wird vorzugsweise durch eine Antriebsvorrichtung hervorgerufen. Nach einer vorteilhaften Weiterbildung ist eine Einrichtung vorgesehen, durch die die Schweißbacken vor dem Aufbringen des Schlagimpulses mittels einer Vorspannkraft gegeneinander gedrückt werden. Bei der bevorzugten Ausführungsform besteht das Paar Schweißbacken aus wenigstens einer ersten Schweißbacke mit einem Wirkbereich mit profiliertem Querschnitt. Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn das Paar Schweißbacken die zweite Schweißbacke mit flächigem Wirkbereich oder mit profiliertem Querschnitt umfasst.

Der profilierte Querschnitt ist an dem Wirkbereich, der mit den zu verschweißenden Folien während des Schweißvorgangs in Kontakt steht, nach einer ersten Ausführungsform als ein Radius R1 , bevorzugt mit R1 = 4 bis 10 mm, ausgebildet. Der profilierte Querschnitt ist alternativ dazu als von zwei Radien R2, bevorzugt mit R2 = 1 bis 4 mm, beidseits begrenztes Flachprofil mit einer Breite a, bevorzugt a = 0,1 bis 0,4 mm, ausgebildet. Es hat sich generell als vorteilhaft erwiesen, das Profil des Wirkbereichs durch Radien zu begrenzen, um Beschädigungen der Kunststofffolie zu vermeiden. Nach einer weiteren Alternative ist der profilierte Querschnitt keilförmig mit einem Winkel a, bevorzugt a = 2 bis 5°, gemessen gegen den flächigen Wirkbereich der zweiten Schweißbacke, der in der Regel waagerecht, jedenfalls rechtwinklig zur Schlagrichtung ausgerichtet ist. Die Keilspitze des keilförmigen Querschnitts ist als Radius R3, bevorzugt mit R3 = 1 bis 4 mm, ausgebildet.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform sind die erste und/oder die zweite Schweißbacke als Rollwerkzeug zur Wirkung in einem Bahnlaufprozess mit fortlaufendem Vorschub ausgeführt. Alternativ dazu sind die erste und/oder die zweite Schweißbacke als zur Wirkzone hin schwenkendes Werkzeug oder als ein während des Schweißvorgangs mit der Bahn zeitweise, d. h. diskontinuierlich mitgeführtes Werkzeug ausgeführt, so wie dies bei Bahnlaufprozessen für bestimmte Bearbeitungsstufen üblich und generell bekannt ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist daher zum Einbau in Verpackungsanlagen, wobei auch etablierte Technik zum Heißsiegeln ersetzt werden kann, geeignet.

Es hat sich zudem als vorteilhaft erwiesen, wenn das Paar Schweißbacken aus gehärtetem Stahl mit geschliffener Oberfläche ausgeführt ist. Weiterhin enthält jede der Schweißbacken Elemente zur Befestigung an der Antriebsvorrichtung.

Die Antriebsvorrichtung wirkt nach einer ersten Ausführungsform auf die erste Schweißbacke oder nach einer zweiten Ausführungsform auf die erste und die zweite Schweißbacke. Die Antriebsvorrichtung zur Erzeugung des Schlagimpulses weist eine Feder, ein Fallgewicht oder ein mechanisches Getriebe auf. Das mechanische Getriebe ist nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ein Kurvenscheibengetriebe, dessen Vorteile oben bereits erläutert wurden. Weiterhin ist ein Magnetantrieb vorgesehen, der die Schweißbacke bzw. einen zugehörigen Stempel direkt antreibt.

Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch eine Verwendung einer Schlagpresse als Antriebsvorrichtung für eine Vorrichtung, wie sie zuvor beschrieben wurde. Insbesondere pneumatische Schlagpressen eignen sich nicht nur zum Prägen von Metallen, sondern auch zum Markieren von Kunststoffen oder ähnlichen Produkten. Auch in der Pharmaindustrie werden kleine Schlagpressen zum Prägen von Medikamentenschachteln häufig verwendet. Mit einer Schlagfeder kann die gewünschte Schlagstärke genau eingestellt werden und man erreicht - wenn einmal justiert - bei jedem Prägevorgang im gleichen Material die gleichen Prägeergebnisse. Der Vorspanneffekt, der auch für eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens eine entscheidende Rolle spielt, erlaubt eine exakte Positionierung des Werkstücks, Deformierungen werden verhindert. Mittels eines Spannsystems können unterschiedliche Prägewerkzeuge wie Maschinenstempel, Maschinentypenhalter und Prägewerke in diesen Maschinen eingespannt werden. Eine beispielhafte Prägepresse besitzt eine Schlagkraft von 6 kN.

Gegenüber den etablierten Siegelverfahren wie Wärme-Kontaktsiegeln (zuvor als Heißsiegeln bezeichnet) oder Ultraschallsiegeln bietet das mit der Erfindung vorgeschlagene Verfahren folgende Vorteile:

• kalte Werkzeuge, adiabatischer Fügeprozess,

• Anwendung bei wärmeempfindlichen Produkten möglich,

• sehr kostengünstige und robuste Anlagen- und Werkzeugtechnik,

• rein mechanische und handbetriebene Lösungen umsetzbar (Federvorspannung, Federantrieb),

• extrem kurze Prozesszeit,

• kleinste Nahtbreiten realisierbar,

• durch Profilmuster des Wirkbereichs der Werkzeuge sind spezifische Nahtmuster erzielbar,

• Fügen oder Füge-Trenn-Kombination mit demselben Werkzeug umsetzbar,

• getrennte Naht lässt sich zielgenauer definieren,

• für recyclingfähige Monofolien oder Monoverbundfolien geeignet, • übliche Verpackungsformen (Siegelrandbeutel, Schlauchbeutel) umsetzbar,

• sehr geringer Energiebedarf, dadurch sehr hoher energetischer Wirkungsgrad.

Beim Verbinden durch Heißsiegeln, auch als Wärmeimpulsfügen bezeichnet, einer PP- Folie mit einer Foliendicke von 20 bis 100 pm und einer üblichen Nahtlänge ist ein elektrisch erzeugter Wärmeimpuls von 0,8 Sekunden bei 165°C notwendig. Das entspricht an einer Schweißzange einem Energieverbrauch von 200 J. Für das Fügen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist dem gegenüber nur ein Energiebedarf von 5 J für dieselbe Nahtlänge erforderlich. Das entspricht einer Energieeinsparung von 97,5%.

Aus den zuvor genannten Vorteilen ergeben sich in den folgenden Einsatzbereichen vorteilhafte Anwendungsgebiete:

• Verpackungsprozess mit Kunststofffolien (technische Produkte, Lebensmittel, Medizinprodukte) sowohl für schnelllaufende Serienanwendungen als auch für Einzelprozesse bei dezentraler Produktion,

• Einsatz für kontinuierliche Prozesse aufgrund hoher Prozessgeschwindigkeit,

• Einsatz bei recyclingfähigen und kompostierbaren Folien,

• Anwendungen zum Versiegeln ohne elektrische Energie mittels Federvorspannung für mobilen Einsatz, Medizintechnik für Entwicklungshilfe (Einschweißen medizinischer Proben vor Ort), Katastrophenhilfe (Verschließen von Sandsäcken),

• Verpackung in staubbelasteter Umgebung.

Anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und ihrer Darstellung in den zugehörigen Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 : schematisch eine Ansicht eines Verfahrensablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verbinden von Kunststofffolien durch thermisches Fügen;

Fig. 2: schematisch eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schweißbacke mit einem Wirkbereich mit als Radius profiliertem Querschnitt;

Fig. 3: schematisch eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schweißbacke mit einem Wirkbereich mit eben profiliertem Querschnitt, begrenzt durch zwei Radien; Fig. 4: schematisch eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schweißbacke mit einem Wirkbereich mit flachwinklig profiliertem Querschnitt;

Fig. 5: schematisch eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen ersten Schweißbacke mit einem Wirkbereich mit eben profiliertem Querschnitt;

Fig. 6: schematisch eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen zweiten Schweißbacke mit einem ebenen Wirkbereich;

Fig. 7: schematisch in zwei Ansichten eine Ausführungsform einer Schlagpresse;

Fig. 8: schematisch in Seitenansicht eine Ausführungsform eines kontinuierlichen Bahnlaufprozesses;

Fig. 9: schematisch in zwei Ansichten eine weitere Ausführungsform eines kontinuierlichen Bahnlaufprozesses;

Fig. 10: schematisch eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schweißnaht an einem Folienschlauch;

Fig. 11 : schematisch eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform von erfindungsgemäßen Schweißnähten an einem Schlauchbeutel;

Fig. 12: schematisch eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bei einer Füge-Trenn-Kombination und

Fig. 13: schematisch eine vergrößerte Ansicht einer Füge-Trenn-Kombination mit gefügten Kunststofffolien und abgetrenntem Bereich.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Ansicht eines Verfahrensablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verbinden von Kunststofffolien 10 durch thermisches Fügen. Der Verfahrensablauf wird in drei Schritten von links beginnend dargestellt. Zunächst wird eine erste Schweißbacke 2 über den Zustellweg s _z hinweg bis zur Oberfläche der Kunststofffolien 10 in Pfeilrichtung bewegt, bis ein Wirkbereich 6, 6‘ die Kunststofffolien 10 berührt. Die beiden durch eine Schweißnaht zu verbindenden Kunststofffolien 10 liegen dabei auf der Oberfläche der zweiten Schweißbacke 4.

In einem zweiten Schritt wird die erste Schweißbacke 2 mit einer Vorspannkraft F _v gegen die Kunststofffolien 10 gedrückt. Unter der so geschaffenen Vorlast wird im dritten Schritt die Impulskraft F, aufgebracht, die zum Ausbilden der Schweißnaht 12 führt. Bei der dargestellten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens bleiben die Kunststofffolien 10 im Bereich der Schweißnaht 12 miteinander verbunden. Durch Wahl einer höheren Impulskraft F, ist jedoch auch zugleich ein Trennen der Kunststofffolien 10 an der Schweißnaht 12 zu erreichen, sodass zwei miteinander durch die Schweißnaht 12 verbundene Kunststofffolien vorliegen, die jedoch im Bereich der Schweißnaht 12 quer getrennt sind.

Fig. 2 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen ersten Schweißbacke 2 mit einem als Radius R1 ausgeführten, profilierten Querschnitt, der einen profilierten Wirkbereich 6‘ ausbildet. Bei einer Foliendicke von 70 pm beträgt der bevorzugte Radius R1 = 4 bis 10 mm, wobei eine gute Werkstoffbindung an der Schweißstelle und eine dichte Schweißnaht erreicht wird.

Fig. 3 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schweißbacke 2 mit einem eben profilierten Querschnitt, begrenzt durch zwei Radien R2, der einen Wirkbereich 6 ausbildet. Bei einer Foliendicke von 70 pm beträgt der bevorzugte Radius R2 = 1 bis 4 mm und das ebene Profil hat eine Breite a = 0,1 bis 0,5 mm.

Fig. 4 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schweißbacke 2 mit einem flachwinklig profilierten Querschnitt, der einen Wirkbereich 6‘ ausbildet. Die Spitze des Winkels weist einen Radius R3 auf. Bei einer Foliendicke von 70 pm beträgt der bevorzugte Radius R3 = 4 bis 10 mm und der bevorzugte Winkel a = 2 bis 5°.

Fig. 5 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen ersten Schweißbacke 2 mit einem Wirkbereich 6 mit ebenem Querschnitt. Eine Aufnahmeöffnung 8 dient dem Einsatz eines hier nicht dargestellten Einspannbolzens, mit dem die erste Schweißbacke 2 in einer Schweißbackenaufnahme 26 (vergleiche Fig. 7) einer Maschine befestigt wird, die die Vorspannkraft F _v und die Impulskraft Fj auf die erste Schweißbacke 2 aufbringt.

Fig. 6 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen zweiten Schweißbacke 4 mit einem ebenen Wirkbereich 6. Dieses wird auf einer Schweißbackenaufnahme 28 (vergleiche Fig. 7) befestigt. Fig. 7 zeigt schematisch in zwei Ansichten eine Ausführungsform einer Schlagpresse 20, mit der das erfindungsgemäße Siegelverfahren ausgeführt wird. Besonders vorteilhaft ist, dass eine solche Schlagpresse 20 ohne Elektroenergie und rein manuell betrieben werden kann, wenn sie ausgeführt ist als Federschlagpresse gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel. Die erforderliche Kraft für die Vorschubbewegung über den Zustellweg s _z sowie auch für die Vorspannkraft F _v und die Impulskraft F, werden durch den Bediener über einen Bedienhebel 24 aufgebracht.

Entsprechend der Darstellung in Fig. 1 wird zwischen der zweiten Schweißbacke 4, auf dem die Kunststofffolien 10 aufliegen, und der ersten Schweißbacke 2, die in einer ersten Schweißbackenaufnahme 26 befestigt ist, die Schweißnaht 12 hergestellt. Dazu wird der Bedienhebel 24 bewegt und über eine Vorschubeinrichtung 32 die erste Schweißbackenaufnahme 26 auf die zweite Schweißbackenaufnahme 28 zubewegt, bis die in der ersten Schweißbackenaufnahme 26 eingesetzte erste Schweißbacke 2 die Kunststofffolien 10 berührt.

Durch weitere Bewegung des Bedienhebels 24 wird die erforderliche Vorspannkraft F _v und nach fortgesetzter Bewegung des Bedienhebels 24, wobei eine Feder gespannt wird, die Impulskraft Fj durch Auslösen der Impulserzeugung 30 auf die Kunststofffolien 10 aufgebracht. Die Schweißnaht 12 ist damit im Bereich einer Wirkzone zwischen der ersten Schweißbacke 2 und der zweiten Schweißbacke 4 hergestellt. Der Rückhub der zweiten Schweißbackenaufnahme 26 und damit der zugehörigen Schweißbacke durch Gegenbewegung des Bedienhebels 24 führt zur Freigabe der gesiegelten, miteinander verschweißten Kunststofffolien 10.

In Abhängigkeit vom gewünschten Ergebnis und von der eingestellten Höhe der Impulskraft Fj können die gesiegelten Kunststofffolien 10 im Bereich der Schweißnaht 12 und entlang dieser zusätzlich und gleichzeitig getrennt werden. Dies kann vorteilhaft sein, wenn beispielsweise eine Packung, ein Schlauchbeutel, durch die Schweißnaht 12 verschlossen und zugleich von einer nachfolgenden Packung getrennt werden soll.

Fig. 8 zeigt schematisch in Seitenansicht eine Ausführungsform eines kontinuierlichen Bahnlaufprozesses, bei dem jede der Kunststofffolien 10, die verschweißt werden sollen, von einer Vorratsrolle 40 abläuft. In der Vorrichtung 1 zum Verbinden von Kunststofffolien 10 durch thermisches Fügen laufen die Kunststofffolien 10 zwischen der ersten Schweißbacke 2 und der zweiten Schweißbacke 4 hindurch, wo die Herstellung der (in der Darstellung noch nicht gebildete) Schweißnaht 12 erfolgt. Es müssen jedoch Vorkehrungen getroffen werden, um die Kontinuität des Bahnlaufprozesses auch während des Einwirkens vor allem der Vorspannkraft, aber auch des Schlagimpulses, sicherzustellen. Dies kann beispielsweise durch ein taktweises Mitführen und Rückführen der Vorrichtung 1 oder durch einen Bahnspeicher nach der Vorratsrolle 40 und vor der Vorrichtung 1 realisiert werden.

Fig. 9 zeigt schematisch in Seitenansicht eine weitere Ausführungsform eines kontinuierlichen Bahnlaufprozesses. Durch Vorspannrollen 42, zwischen denen die Kunststofffolie 10 hindurchläuft, wird die Vorspannkraft aufgebracht. Eine Einrichtung zur Impulserzeugung 30, insbesondere ein Schlaggetriebe, wirkt auf eine oder beide Vorspannrollen 42, sodass der Schlagimpuls mittelbar in die Kunststofffolie 10 eingebracht und die Schweißnaht 12 erzeugt wird.

Fig. 10 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schweißnaht 12 an einem Folienschlauch 14. Dieser kann vorteilhafterweise als Sleeve-Verpackung zum Einsatz kommen, wobei der Folienschlauch 14 über eine Verpackung geschoben wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn dabei der Folienschlauch 14 aus einer Schrumpffolie besteht, die bei Erwärmung schrumpft und sich dicht und glatt als Shrink-Sleeve an die umhüllte Verpackung anlegt.

Bei einer solchen Anwendung zeigen sich die besonderen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens, da die Schweißnaht 12 die sie umgebenden Bereiche der Schrumpffolie nicht durch Erwärmung beeinträchtig. Während bei bekannten Schweißverfahren der Wärmefluss von der (zudem vergleichsweise breiten) Schweißnaht in die umgebende Kunststofffolie zu unschönen, unerwünschten und auch nach dem Schrumpfen noch sichtbaren Verformungen, vor allem Faltenbildung führt und damit ein ästhetisch mangelhaftes Ergebnis bringt, kann die Erfindung diese Nachteile vermeiden. Die Schweißnaht 12 ist sehr schmal und vermeidet, wie zuvor erläutert, eine thermische Beeinträchtigung der an die Schweißnaht 12 angrenzenden Kunststofffolie 10, die auch im Bereich der Schweißnaht 12 glatt bleibt und darüber hinaus ihre volle Schrumpfkapazität behält. Fig. 11 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform von erfindungsgemäßen Schweißnähten 12 an einem Schlauchbeutel 16. Dieser umfasst einen Folienschlauch 14, wie in Fig. 10 dargestellt, der an beiden Enden verschlossen ist. Dies erfolgt an der zweiten Seite üblicherweise nach dem Befüllen mit einem Packgut. Mittels einer Füge-Trenn-Kombination wird zugleich der durch eine Kopfnaht, die obere Schweißnaht 12, verschlossene Schlauchbeutel 16 von der Folienbahn abgetrennt, während eine weitere Bodennaht, die untere Schweißnaht 12 des nächsten Schlauchbeutels 16, erzeugt wird.

Auch bei dieser Anwendung kann eine Schrumpffolie zum Einsatz kommen, um insbesondere eine Schachtel zu umhüllen, wobei nach dem Schrumpfen die Umhüllung dicht an der Schachtel anliegt. Auch hier zeigt sich der Vorteil, dass ein ansprechendes Aussehen durch sehr schmale, saubere und nicht verzogene Schweißnähte 12 erzielbar ist.

Fig. 12 zeigt schematisch eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 bei einer Füge-Trenn-Kombination, das heißt, dass unmittelbar im Anschluss an das Schweißen bzw. praktisch gleichzeitig das Abtrennen der Kunststofffolien 10 unmittelbar in der Mitte der ohnehin sehr schmalen Schweißnaht 12 erfolgt. Dies wird in der vergrößerten Darstellung in Fig. 13 besonders deutlich. Die Vorrichtung 1 umfasst die Schweißbacken 2, 4, dargestellt nach dem Rückhub, der die Füge- und Trennstelle freigibt.

Fig. 13 zeigt schematisch eine vergrößerte Ansicht einer Füge-Trenn-Kombination mit gefügten Kunststofffolien 10 und abgetrenntem Bereich, wo der über die Schweißnaht 12 hinaus überstehende Teil innerhalb der Schweißnaht 12 abgetrennt ist. Dabei ist die sehr schmale Schweißnaht 12 erkennbar.

Das Material neben der Schweißnaht 12 ist nicht verdickt, woraus bereits deutlich wird, dass kein überschüssiges Material der Kunststofffolien 10 geschmolzen und verschoben wird, wie dies bei anderen Heißsiegelverfahren nach dem Stand der Technik der Fall ist. Es zeigt sich zudem, dass der Wärmeeinflussbereich 13, dessen Grenze zur unbeeinflussten Kunststofffolie 10 durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist, sich auf die Schweißnaht 12, die Fügezone, beschränkt und die umgebenden Bereiche der Kunststofffolien 10 unbeeinflusst lässt. Fig. 14 zeigt schematisch eine vergrößerte Ansicht einer Fügestelle mit gefügten Kunststofffolien 10, ohne Trennung an der Schweißnaht 12, sodass sich die Kunststofffolien 10 beidseits der Schweißnaht 12 erstrecken. Dabei ist ebenfalls die sehr niedrige Schweißnaht 12 mit der Höhe H an der Fügezone, den verschmolzenen Kunststofffolien 10, erkennbar. Das Material neben der Schweißnaht 12 ist ebenfalls nicht verdickt, woraus deutlich wird, dass kein überschüssiges Material der Kunststofffolien 10 geschmolzen und verschoben wird. Vielmehr ist der Wärmeeinflussbereich 13 eng auf den Bereich der Schweißnaht 12 beschränkt und weder die Kunststofffolien 10, noch ein Bereich außerhalb der Kunststofffolien 10, beispielsweise ein wärmeempfindliches Packgut innerhalb einer Verpackung, werden durch unerwünschte Erwärmung beeinträchtigt.

Bezugszeichenliste

1 Vorrichtung

2 erste Schweißbacke

4 zweite Schweißbacke

6, 6‘ Wirkbereich

8 Aufnahmeöffnung

10 Kunststofffolie

12 Schweißnaht, Fügezone, Längsnaht, Quernaht, Schweißpunkt

13 Wärmeeinflussbereich

14 Folienschlauch

16 Schlauchbeutel

20 Schlagpresse

22 Ständer

24 Bedienhebel

26 erste Schweißbackenaufnahme

28 zweite Schweißbackenaufnahme

30 (Einrichtung zur) Impulserzeugung

32 Vorschubeinrichtung

40 Vorratsrolle

42 Rollwerkzeug, Vorspannrolle a Wirkbereichbreite

R1 erster Wirkbereichradius

R2 zweiter Wirkbereichradius

R3 dritter Wirkbereichradius

F _v Vorspannkraft

Fi Impulskraft, Intensität des Schlagimpulses s _z Zustellweg

H Höhe Fügezone (Schweißnaht)