CH654246A5

CH654246A5 - Verfahren zum verbinden eines endes eines rohrfoermigen behaelterkoerpers mit einem verschlussteil durch reibschweissen.

Info

Publication number: CH654246A5
Application number: CH8122/81A
Authority: CH
Inventors: Stephen E Woerz; Travis K Canup
Original assignee: Boise Cascade Corp
Priority date: 1981-07-30
Filing date: 1981-12-18
Publication date: 1986-02-14
Also published as: JPS6219291B2; SE8107335L; FR2510469A1; GB2154936A; JPS5820417A; DE3148537C2; GB2102729A; GB8502309D0; DE3148537A1; GB2154936B; CH663757A5; DK151088C; CH662982A5; CA1169371A; DK522981A; SE451310B; GB2154935B; GB2102729B; AU543145B2; US4353761A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines Endes eines vertikal ausgerichteten, rohrförmigen, zusammengesetzten Behälterkörpers mit einem Verschlussteil aus thermoplastischem Kunststoffmaterial mittels Reibschweissen, wobei der Körper eine faserige Körperwandschicht, eine innere Futterschicht aus einem thermoplastischen synthetischen Kunststoffmaterial und eine äussere Etikettschicht aufweist, und das Verschlussteil gegenüber dem Körper eine ringförmige innere Rippe und einen äusseren schürzenförmigen Bereich aufweist, welche konzentrisch im Abstand voneinander angeordnet sind zur Bildung einer ringförmigen Nut zur Aufnahme des gegenüberliegenden Endes des Körpers, wobei die Nut Seitenwände aufweist, die in Richtung des Bodens der Nut konvergieren.

Der Gedanke der Reibschweissverbindung zweier Kunststoffteile, beispielsweise eines Behälterkörpers und eines Verschluss- oder Kappenteils, ist bekannt durch die US-PS 3 297 504 (Brown), die US-PS 3 499 068 (Jones), die US-PS 3 712 498 und die US-PS 4 075 820 (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 Reibungsschweis-sen eines Verschlussteils aus Kunststoff mit dem zusammengesetzten Behälterkörper Probleme auf. Diese Probleme sind besonders gross, wenn das Verschlussteil beispielsweise eine Stärke aufweist, die mindestens 20 mal 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 gleich-mässige und absolute Dichtigkeit zwischen dem Behälterkörper und dem Verschlussteil herzustellen, wenn die Verbindung von Verschlussteil und Behälterkörper mittels Reib-schweissung 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, so dass 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, ein Verfahren 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 ein Verfahren gemäss den Merkmalen des Anspruches 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 Draufsicht 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 aufeinanderfolgender 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

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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 Reib-schweissung in abdichtender Verbindung. Zweckmässig ist die Stärke der Rippe 14a 20 bis 50 mal 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 wesentlicher 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 radialen 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 Füllvorgangs 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 konisch bzw. kegelförmig, wie aus Fig. 2 zu ersehen ist. Die konische Rippe bildet, einen spitzen Winkel von etwa 2,5 bis 5° mit der Vertikalen. Dieses Merkmal der Konizität ist sehr wichtig für die vollständige Ausbildung der endgültigen, durch Reib-schweissung 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.

Das Verfahren des Reibschweissens und die dazu ausgebildete Vorrichtung sind beide wichtig für den Erfolg des endgültigen zusammengesetzten Behälters der vorliegenden Erfindung mit Hilfe der Reibschweissung.

Um einen engen, dichten Sitz zwischen dem Endverschlussteil und dem Behälterkörper 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 Ab-rundung werden während eines einfachen Ausbauchungsvorgangs erreicht, wie er in Fig. 4 dargestellt ist. Eine zylindrische Ausbauchungsform 40 wird in das obere Ende des Körpers 12 eingeführt, wobei die Form 40 einen nach oben gerichteten, äusseren konischen Umfangsbereich 40a umfasst, der an seinem oberen Ende in einen äusseren, leicht konkav gekrümmten Flächenbereich 40b übergeht. Die Um-fangsfläche 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 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 Durchmesser des Körpers um etwa 0,254 mm (0,01") 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 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 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 Nähe der 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.

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 Reibschweissungsvorgangs, 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 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 Rotationsgeschwindigkeit angetrieben wird, die für einè 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 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.

Das Verschweissen verläuft wie folgt:

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 zu dem Zentraldorn 50 durchführen kann und das Endverschlussteil 14 ist an dem drehbaren Spannfutter 70 angebracht.

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Das drehbare Spannfutter 70 mit dem daran befestigten Endverschlussteil 14 (Fig. 5) wird mit einer Rotationsgeschwindigkeit gedreht, die für die gewünschte Reibver-schweissung ausreichend ist (d.h. etwa 3000 Upm). Während das drehbare Spannfutter 70 umläuft, wird es in Vertikalrichtung axial nach unten verschoben, damit die Unterseite des kreisförmigen zentralen Plattenbereichs des Endverschlussteils mit dem zusammendrückbaren Material 64 zur Anlage kommt, wodurch der drehbare Dorn 54 in der Bohrung 55 mit der Rotationsgeschwindigkeit des drehbaren Spannfutters 70 gedreht wird. In der Folge wird das drehbare Spannfutter 70 weiter nach unten verschoben, das zusammenpressbare Material 64 wird zusammengepresst und die Dichtrippe 14 des Endverschlussteils wird, wie in Fig. 10 gezeigt, durch den scheibenförmigen Abschnitt 54a des drehbaren Dorns abgestützt, welcher sich mit einer Geschwindigkeit dreht, die kleiner oder gleich ist der Geschwindigkeit des Endverschlussteils.

Der scheibenförmige Bereich 54a stützt die Dichtrippe 14a gegen ein radial nach innen gerichtetes Ausweichen oder Abstossen ab, wenn das sich drehende Endverschlussteil zur Anlage mit dem Behälterkörper abgesenkt wird. Der Drehantriebsmechanismus des drehbaren Spannfutters wird ausgekuppelt bzw. ausgeschaltet, damit das Spannfutter ohne Antrieb frei weiterdrehen kann. Wie aus Fig. 11 zu ersehen, wird das Endverschlussteil 14 schnell in das obere Ende des Körpers 12 eingeführt, so dass das ausgebauchte obere Ende des Körpers 12 zunehmend dicht in der ringförmigen Nut 26, die in dem Endverschlussteil ausgebildet ist, verkeilt, und die Dichtrippe 14 wird zwischen die thermoplastische Innen-futterschicht 18 des Behälterkörpers und dem scheibenförmigen Abschnitt 54a des drehbaren Dorns verkeilt. Die drehende reibende Anlage zwischen dem thermoplastischen Innenfutter und der Dichtrippe aus Kunststoff erzeugt eine Hitze, die ausreicht, um die sich berührenden thermoplastischen Materialien zu erweichen und nachfolgend miteinander zu verbinden. Das drehbare Spannfutter wird dann von dem Endverschlussteil entfernt.

Gemäss einem wichtigen Merkmal der Erfindung fliesst der Überschuss des geschmolzenen Kunststoffmaterials, der während des Reibschweissprozesses entsteht, dank der AbStützung der Dichtrippe 14a und deren nach unten verlaufenden, nach innen gerichteten kegelförmigen oder konischen Aussenfläche nach unten, wie in Fig. 11 gezeigt, wobei eine gleichmässige Stärke ausgebildet wird und verhindert wird, dass die thermoplastische innere Futterschicht 18 zer-reisst (siehe Fig. 12). Eine feste, flüssigkeitsdichte reib-schweissverbundene Dichtung wird somit an einem zusammengesetzten Behälter ausgebildet.

Obgleich in dem gezeigten Ausführungsbeispiel das Endverschlussteil gedreht wird, während der Behälterkörper stationär festgehalten wird, liegt es natürlich im Bereich der Erfindung, das Endverschlussteil festzuhalten und den Behälterkörper zu drehen. Ebenso ist es möglich, obwohl in dem beschriebenen Verfahren das Endverschlussteil in Vertikalrichtung axial verschoben wird, während der Behälterkörper festgehalten wird, dass im Bereich der Erfindung der Behälterkörper verschoben wird und das Endverschlussteil stationär gehalten wird.

Sofort nach Beendigung des Reibschweissprozesses werden die Klammern 52 des Zentraldorns von dem Behälterkörper 12 entfernt, wonach der Behälterkörper mit dem daran reibverschweissten Endverschlussteil von dem Zentraldorn abgenommen wird. Dafür sind die Luftkanäle 60 und 62 vorgesehen, welche verhindern, dass sich ein Unterdruck zwischen dem drehbaren Dorn und dem Zentraldorn und dem Ende des Behälterkörpers ausbildet.

Ein nicht gezeigtes Endverschlussteil aus Metall wird mit dem unteren Ende des Körpers 12 in einer herkömmlichen Weise verbunden, wenn der zusammengesetzte Behälter gefüllt ist. Natürlich liegt es innerhalb des Bereichs der Erfindung, den Behälter umzudrehen, so dass das Endverschlussteil aus Kunststoff unten an der vertikal ausgerichteten Körperwand durch Reibschweissen angebracht wird und das Endverschlussteil aus Metall demnach am oberen Ende des Behälters angebracht wird.

Die durch Reibschweissen ausgebildete Dichtung zwischen dem Endverschlussteil aus Kunststoff und dem Behälterkörper ist ausreichend fest, um den Kräften Widerstand zu leisten, die bei dem Verschliessen des unteren Endes mit der herkömmlichen Weise erzeugt werden. Versuche haben bestätigt, dass die Verbindung zwischen der inneren Futterschicht und dem reibverschweissten Kunststoffverschlussteil 3 bis 4 mal stärker ist als eine herkömmliche Verbindung zwischen einer zusammengesetzten Behälterwand und einem Endverschlussteil aus Metall mit einer Walznaht. In dieser Hinsicht ist zu bemerken, dass eine nach oben gerichtete Kraft auf den Zentralbereich des Endteils 14 ein Ausbauchen des Endteils in den Bereich zwischen der Stapelrippe 14c und der Rippe 14a verursacht, wodurch die Unversehrtheit der Dichtung zwischen der Rippe 14a und der inneren Futterschicht 18 aufrechterhalten bleibt, wobei die Dichtung eher gegenüber Abscherkräften als Abschälkräften anfällig ist). Zu diesem Zweck ist die Verbindungslinie der Stapelrippe 14c mit der Oberseite des Endteils vorzugsweise ausgerundet.

Die innere Futterschicht 18, die gewöhnlich die Stärke von ungefähr 0,0127 bis 0,0762 mm (0,0005" bis ungefähr 0,0030") aufweist, besteht aus einem herkömmlichen heiss-versiegelbaren thermoplastischen Kunststoffmaterial, wie Polyolefin, Polystyrol, Polycarbonat, Acrylpolymer od.dgl.

Wie aus Fig. 10 zu ersehen, ist der Verjüngungswinkel der Aussenseite der Rippe 14a zur Vertikalen geringfügig grösser als der Winkel des ausgebauchten oberen Endes 12a des zusammengesetzten Behälterkörpers 12.

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3 Blatt Zeichnungen

Claims

654 246 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Verbinden eines Endes eines vertikal ausgerichteten rohrförmigen, zusammengesetzten Behälterkörpers mit einem Verschlussteil aus thermoplastischem Kunststoffmaterial mittels Reibschweissen, wobei der Körper aus einer faserigen Körperwandschicht, einer inneren Futterschicht aus einem thermoplastischen synthetischen Kunststoffmaterial und aus einer äusseren Etikettschicht besteht, und das Verschlussteil gegenüber dem Körper eine ringförmige innere Rippe und einen äusseren schürzenförmi-gen Bereich aufweist, welche konzentrisch im Abstand voneinander angeordnet sind zur Bildung einer ringförmigen Nut zur Aufnahme des gegenüberliegenden Endes des Körpers, wobei die Nut Seitenwände aufweist, die in Richtung des Bodens der Nut konvergieren, gekennzeichnet durch die Schritte:

a) das Ende des zusammengesetzten Körpers gegenüber dem Verschlussteil wird radial nach aussen ausgebaucht;

b) es wird das Verschlussteil relativ zum Körper oder der Körper relativ zum Verschlussteil mit einer zur Erreichung einer Reibschweissverbindung ausreichenden Drehgeschwindigkeit gedreht, nachdem die beiden Teile im Abstand voneinander vertikal ausgerichtet sind, und c) die Teile werden in Axialrichtung zusammengeführt, wobei das ausgebauchte Ende des Körpers in die ringförmige Nut eingekeilt wird, während gleichzeitig die Rippe des Verschlussteils gegen ein radial nach innen gerichtetes Ausweichen abgestützt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a) der Körper lösbar an einem vertikal ausgerichteten stationären zentralen Dorn befestigt ist;

b) dass das Verschlussteil an einem drehbaren Futter in vertikaler Ausrichtung mit dem zentralen Dorn befestigt und vertikal relativ zu dem Dorn verschiebbar ist, und c) dass das Verschlussteil relativ zu dem Körper mit einer Drehgeschwindigkeit gedreht wird, die ausreicht zur Erzeugung einer Reibschweissverbindung.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlussteil oder der Körper mit einer Drehgeschwindigkeit von ungefähr 3000 Umdrehungen pro Minute gedreht wird.