超聲接合方法和超聲接合裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于連接紙質(zhì)材料、尤其紙、紙板或厚紙的超聲接合方法和超聲接合裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在文獻(xiàn)EP O 340 334 A2中描述了一種適用于借助于超聲波連接兩層或多層紙質(zhì)產(chǎn)品的裝置。所使用的紙?jiān)诖嗽O(shè)有熱塑性涂層。借助于超聲探頭在此產(chǎn)生縱波，從而超聲探頭在超聲振動時朝砧運(yùn)動并且又從砧運(yùn)動離開。通過相應(yīng)的超聲頻率和相應(yīng)的擠壓力在此產(chǎn)生紙層的足夠的壓實(shí)。同時導(dǎo)致在熱塑性涂層中的高的放熱并且由此導(dǎo)致紙層的粘合。
[0003]附圖6在示意性簡化的視圖中示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的用于連接經(jīng)熱塑性涂覆的紙質(zhì)材料的超聲接合裝置100。裝置100包括根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的超聲探頭102和根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的砧103。待接合的紙質(zhì)材料5位于超聲探頭102與砧103之間。在超聲探頭102與砧103之間的間隙中以接合力106加載紙質(zhì)材料5。超聲探頭102執(zhí)行具有振動方向107的超聲振動。在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的裝置100中振動方向107和接合力106的方向相互平行地定向。因此，在此超聲探頭102的縱向運(yùn)動方向用于接合工藝。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]在根據(jù)本發(fā)明的超聲接合方法和根據(jù)本發(fā)明的超聲接合裝置中實(shí)現(xiàn)了用于連接紙質(zhì)材料的超聲摩擦焊接。由超聲探頭廣生的超聲振動具有確定的振動方向。與通過超聲探頭施加超聲振動的同時，以接合力加載在超聲探頭與對置的砧之間的間隙中的紙質(zhì)材料。接合力沿接合力方向定向。根據(jù)本發(fā)明設(shè)置，振動方向與接合力方向相互不平行地定向。在現(xiàn)有技術(shù)中超聲探頭的振動方向總是與接合力方向平行地構(gòu)造。由此在現(xiàn)有技術(shù)中主要利用在接合縫中用于能量產(chǎn)生的振動微粒的縱向運(yùn)動方向。在此由接合對象的內(nèi)部分子摩擦和界面摩擦產(chǎn)生熱能。界面摩擦的熱能在此由接合材料的形變的變形能通過砧幾何結(jié)構(gòu)獲得。相比之下在本發(fā)明的范圍中已知，如果采用摩擦焊接方法，能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)生紙質(zhì)材料的更好的接合，其中，主要利用界面摩擦。這通過根據(jù)本發(fā)明的用于連接紙質(zhì)材料、尤其紙、紙板或厚紙的超聲接合方法實(shí)現(xiàn)，所述方法包括至少以下步驟:(i)將紙質(zhì)材料引入到超聲探頭與砧之間的間隙中。Qi)沿接合力方向以接合力加載間隙中的紙質(zhì)材料。Qii)使超聲探頭處于超聲振動中用于紙質(zhì)材料的接合。根據(jù)本發(fā)明在此設(shè)置，實(shí)施超聲摩擦焊接，其由此限定，接合力方向與超聲振動的振動方向不平行。尤其在包裝工業(yè)中采用紙板箱的多種類型的借助于擴(kuò)散型粘合劑(冷膠)和熔化型粘合劑(熱膠)的粘合連接。為了使包裝工藝合理化、更清潔和更衛(wèi)生地設(shè)計(jì)所述包裝工藝，可以采用根據(jù)本發(fā)明的超聲焊接方法。通過在0.1秒至I秒的范圍中的短周期和從0.1秒至2秒的保持時間，根據(jù)本發(fā)明的超聲接合方法特別適用于對于大件數(shù)的批量生產(chǎn)中。相比于粘合方法根據(jù)本發(fā)明的超聲接合方法具有以下優(yōu)點(diǎn):根據(jù)本發(fā)明不需要接合材料，從而可以取代熱膠或冷膠。紙質(zhì)材料對于借助于超聲波的接合過程不需要附加的熱塑性涂層。常規(guī)的粘合機(jī)更易于污染。因?yàn)樵诟鶕?jù)本發(fā)明的方法中優(yōu)選不使用附加材料，優(yōu)選使用水用于潤濕除外，所以可以實(shí)現(xiàn)減少污染并且因此遵循衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，該衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)對于食品工業(yè)和藥品工業(yè)是非常重要的。由此也得出，在根據(jù)本發(fā)明的方法中不存在將接合劑(膠)移到包裝物品中的危險。此外產(chǎn)生了高度的節(jié)能，因?yàn)闊崮z的連續(xù)加熱是不必要的。僅僅在接合時間范圍、也就是毫秒范圍中需要對于超聲接合方法必要的能量。此外，根據(jù)本發(fā)明的超聲接合方法相比于常規(guī)的超聲接合方法在常規(guī)的超聲接合方法中，接合力方向平行于超聲探頭的振動方向地定向具有多種優(yōu)點(diǎn):在根據(jù)本發(fā)明的方法中可以使用具有小的聲衰減的材料，這尤其在紙質(zhì)材料中是這種情況。由于所接合的紙質(zhì)材料的摩擦運(yùn)動，不能夠確定如通過超聲探頭在縱向超聲焊接方法中的錘擊運(yùn)動引起的噪音排放。接合連接的剪切和剝離強(qiáng)度在根據(jù)本發(fā)明的方法中顯著高于在以常規(guī)超聲接合方法產(chǎn)生的接合連接的情況下。在根據(jù)本發(fā)明的方法中的另一決定性的優(yōu)點(diǎn)在于，利用整個振動而不僅僅利用沿接合位置的方向起作用的幅度用于能量輸入到紙質(zhì)材料中。由于避免了朝待接合的紙質(zhì)材料的錘擊運(yùn)動，在實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的超聲接合方法中保護(hù)了該紙質(zhì)材料。
[0005]從屬權(quán)利要求示出了本發(fā)明的優(yōu)選擴(kuò)展方案。
[0006]尤其設(shè)置，接合力方向與振動方向垂直或成直角。±10°的偏差在此仍視為垂直的。通過該定向確保了，進(jìn)行振動的超聲探頭的沿兩個方向的幅度盡可能作用于紙質(zhì)材料上。同時，接合力方向與振動方向的垂直定向保證在接合位置處界面摩擦的幾乎專有的利用。
[0007]超聲探頭的超聲振動頻率優(yōu)選位于1kHz與80kHz之間，特別優(yōu)選位于20kHz與70kHz之間。此外優(yōu)選地設(shè)置，超聲探頭的超聲振動幅度位于10 μπι與50 μm之間，優(yōu)選位于20 ym與40 ym之間。尤其在這些用于超聲振動的參數(shù)中產(chǎn)生了對于紙質(zhì)材料的接合有利的在接合位置處的界面摩擦。
[0008]此外優(yōu)選地設(shè)置，優(yōu)選在接合位置的內(nèi)側(cè)上在超聲摩擦焊接之前和/或期間潤濕紙質(zhì)材料。潤濕優(yōu)選以液體水和/或水蒸氣和/或潤濕單元等實(shí)現(xiàn)。
[0009]假定，通過超聲摩擦焊接在接合位置處紙結(jié)構(gòu)容易被破壞并且因此形成局部的紙漿。該紙漿由于超聲波和通過接合力的壓力的作用而能夠?qū)崿F(xiàn)起氈并且由此能夠?qū)崿F(xiàn)一種類型的紙纖維膠合，類似于造紙。接合面的這種類型的壓實(shí)導(dǎo)致構(gòu)成氫鍵。這也一再描述為起氈。氫鍵的局部構(gòu)成可以通過潤濕主動地支持。
[0010]超聲摩擦焊接在紙質(zhì)材料中的根據(jù)本發(fā)明的應(yīng)用導(dǎo)致非常穩(wěn)定的接合位置，從而優(yōu)選省去粘合劑或熱塑性涂層的使用。此外也不必要的是，在接合位置處印刷油墨位于紙質(zhì)材料上，該印刷油墨類似于熱塑性涂層有利于紙質(zhì)材料的粘合。
[0011]本發(fā)明此外還包括一種用于由紙質(zhì)材料、尤其紙、紙板或厚紙制造包裝的方法。在該用于制造包裝的方法中使用如上所述的超聲接合方法。在超聲接合方法的范圍中提出的從屬權(quán)利要求和有利的構(gòu)造相應(yīng)有利地應(yīng)用到用于制造包裝的方法上。
[0012]本發(fā)明還包括用于連接紙質(zhì)材料、尤其紙、紙板或厚紙的超聲接合裝置。該超聲接合裝置包括:可處于超聲振動中的超聲探頭以及對置的砧。將待連接的紙質(zhì)材料插入到超聲探頭與砧之間的間隙中并且以接合力加載所述紙質(zhì)材料。接合力通過以相應(yīng)的力加載超聲探頭和/或砧而產(chǎn)生。接合力再次沿接合力方向作用。根據(jù)本發(fā)明設(shè)置，超聲接合裝置構(gòu)造為用于實(shí)施超聲摩擦焊接。在該超聲摩擦焊接中，接合力方向與超聲振動的振動方向不平行地定向。
[0013]在根據(jù)本發(fā)明的超聲接合方法的范圍中提出的從屬權(quán)利要求和有利的構(gòu)造相應(yīng)有利地應(yīng)用到根據(jù)本發(fā)明的超聲接合裝置上。
[0014]尤其設(shè)置，超聲探頭能夠朝砧的方向行進(jìn)和/或砧能夠朝超聲探頭的方向行進(jìn)。通過該方法可以產(chǎn)生接合力。
【附圖說明】
[0015]以下參照附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明的兩個實(shí)施例。其中，示出:
[0016]圖1:根據(jù)本發(fā)明的根據(jù)第一實(shí)施例的、用于實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的超聲接合方法的超聲接合裝置的示意簡化的示圖；
[0017]圖2:圖1的細(xì)節(jié)視圖；
[0018]圖3:常規(guī)超聲接合方法與根據(jù)本發(fā)明的超聲接合方法的對比；
[0019]圖4:所產(chǎn)生的接合位置的抗拉強(qiáng)度的曲線圖；
[0020]圖5:根據(jù)本發(fā)明的根據(jù)第二實(shí)施例的用于實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的超聲接合方法的超聲接合裝置的示意性簡化的視圖；以及
[0021]圖6:根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的超聲接合裝置。
【具體實(shí)施方式】
[0022]圖1示出了根據(jù)第一實(shí)施例的