Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden einer ersten Fügefläche eines ersten Werkstückes mit einer zweiten Fügefläche eines zweiten Werkstückes.

Es ist bereits bekannt, zwei thermoplastische Materialien miteinander zu verbinden. Dazu werden die erste Fügefläche des ersten Werkstückes mit der zweiten Fügefläche des zweiten Werkstückes in Kontakt gebracht und dann über ein Werkzeugteil Energie in das erste Werkstück eingebracht.

Der Energieeintrag kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass das erste Werkzeugteil eine Kraft auf das Werkstück aufbringt, so dass die beiden Fügeflächen aufeinandergedrückt werden. Alternativ kann über das erste Werkzeugteil auch Wärme auf das erste Werkstück übertragen werden, so dass sich auch die Fügefläche erwärmt. Einige Verfahren sind als Thermobonding und Thermokalandern bekannt.

Schließlich kann alternativ auch eine Ultraschallschwingung auf das Werkstück aufgebracht werden, so dass das Material des ersten Werkstückes und das Material des zweiten Werkstückes in der Fügezone, d. h. an den Fügeflächen aufgeschmolzen wird. Dabei wird in der Regel ein Fügedruck aufgebracht, um die Verbindung herzustellen. Dabei ist es möglich entweder das bereits mit einer Ultraschallschwingung schwingende Werkzeugteil mit dem Werkstück in Kontakt zu bringen oder zunächst das Werkzeugteil mit dem Werkstück in Kontakt zu bringen und dann das Werkzeugteil mit einer Ultraschallschwingung anzuregen. Unter Ultraschall wird Schall mit einer Frequenz zwischen 1 kHz und 1 GHz verstanden. Besonders bevorzugt sind allerdings in der Praxis Ultraschallfrequenzen zwischen 15 kHz und 90 KHz.

Alle beschriebenen Verfahren setzen jedoch voraus, dass die zu verbindenden Materialien durch den Energieeintrag aufgeschmolzen werden können. Daher kommen für die Bearbeitung nur thermoplastische Materialien oder Materialien mit einem thermoplastischen Anteil in Frage. Ist der thermoplastische Anteil in den zu verschweißenden Materialien zu gering kommt es zu einer unvollständigen Verschweißung und die verbundenen Materialien können sich selbsttätig oder bei leichter Kraftausübung wieder voneinander lösen.

Der Markt verlangt jedoch zunehmend nach Materialien mit geringem thermoplastischem Anteil oder sogar nach Materialien ohne thermoplastischem Anteil. Insbesondere Biomaterialien aus nachwachsenden Rohstoffen liegen im Markttrend. Auch werden insbesondere im Bereich der Hygieneprodukte immer höhere Anforderungen an die Produktweichheit gestellt, die ebenfalls mit thermoplastischen Materialien kaum erfüllt werden können.

Solche Materialien können nach gegenwärtiger Kenntnis nicht oder nur mit großem Aufwand allein durch Energieeintrag verbunden werden, sodass stattdessen häufig Klebstoff verwendet wird, der jedoch zu höheren Kosten des Produktes bzw. der Verpackung führt und aus Umweltgesichtspunkten nicht von Vorteil ist.

Ausgehend von dem beschriebenen Stand der T echnik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren anzugeben, das auch Materialien mit geringem thermoplastischem Anteil oder sogar Materialien ohne thermoplastischem Anteil verschweißen kann, ohne dass auf Klebstoffe zurückgegriffen werden muss.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass bevor die beiden Fügeflächen der beiden Werkstücke miteinander in Kontakt gebracht werden auf die erste und/oder zweite Fügefläche Partikel aus thermoplastischem Material aufgebracht werden.

Die Partikel aus thermoplastischem Material werden einfach auf die erste oder die zweite Fügefläche oberflächlich aufgetragen und führen dadurch an der Oberfläche zu einer Erhöhung des thermoplastischen Anteils. Überraschenderweise hat sich nämlich gezeigt, dass selbst geringe Mengen von thermoplastischen Partikeln zu einer deutlichen Verbesserung der Verbindungseigenschaften zwischen den beiden Werkstücken führen. Es ist daher lediglich notwendig, den thermoplastischen Anteil an der Oberfläche zu erhöhen und zwar insbesondere auf einer der Fügeflächen. In den Werkstücken muss hingegen kein thermoplastisches Material vorgesehen sein.

Die erfindungsgemäße Lehre kann bei allen Verfahren, die eine Verbindung durch Energieeintrag bewirken verwendet werden. Bevorzugt wird die erfindungsgemäße Lehre bei der Ult- raschallschweißung angewandt. Daher wird die Erfindung im Folgenden anhand des Ultraschallschweißverfahrens beschrieben. Grundsätzlich kann die Erfindung jedoch auch bei anderen Verfahren, wie z. B. beim Thermobonding oder beim Thermokalandrieren, eingesetzt werden.

Beim Ultaschallschweißen werden in der Regel die beiden Werkstücke zwischen einer Sonotrode als erstem Werkzeugteil und einem Amboss als zweitem Werkzeugteil positioniert, sodass während der schweißenden Bearbeitung entweder die Sonotrode oder der Amboss eine Fügekraft auf die Materialien ausübt und die beiden Fügeflächen aneinanderpresst.

Es ist auch möglich, dass als zweites Werkzeugteil, welches dem ersten Werkzeugteil gegenübersteht, ebenfalls eine Sonotrode verwendet wird, die ebenfalls in eine Ultraschallschwingung versetzt wird.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme können Materialien mit geringem thermoplastischem Anteil miteinander verbunden werden. Es ist sogar möglich, ein oder zwei Werkstücke aus einem Material, das überhaupt gar keinen thermoplastischen Anteil aufweist, miteinander zu verbinden.

Die Verbindungsstärke kann dadurch erhöht werden, dass zumindest ein Werkstück, vorzugsweise beide Werkstücke aus einem fasrigem Material, wie z.B. einem Gewebe oder einem Vliessstoff, aus einem faserimprägnierten Material, oder aus einem porösem Material besteht bzw. bestehen.

Die thermoplastischen Partikel können eine Größe haben, die kleiner als die durchschnittliche Porengröße oder kleiner als der durchschnittliche Abstand zwischen benachbarten Fasern ist. Bereits beim Aufbringen der thermoplastischen Partikel können diese dann in die Poren oder zwischen die Fasern gelangen. Beispielsweise können die Partikel eine maximale Ausdehnung zwischen 100 und 300 pm haben.

Spätestens beim Aufschmelzen der thermoplastischen Partikel können diese dann in Poren oder Faserzwischenräume eindringen und dadurch die Festigkeit der Verbindung deutlich erhöhen. Die aufgeschmolzenen thermoplastischen Partikel verklammern sich dann in den Poren oder Faserzwischenräumen und halten die Fügeflächen aneinander. Dabei kann der Anteil der thermoplastischen Partikeln sehr gering sein, da sie lediglich zur Verbindung der Fügeflächen gebraucht werden. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Partikel auf die Oberfläche aufgestreut. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass bevor die beiden Fügeflächen miteinander in Kontakt gebracht werden, in eine oder beide Fügeflächen Vertiefungen eingebracht werden, wobei dies vorzugsweise geschieht bevor die thermoplastischen Partikel auf eine oder beide der Fügeflächen aufgebracht werden. Beispielsweise kann eine der Fügeflächen mit einem Stempel mit nadelförmigen Vorsprüngen in Kontakt gebracht werden. Ist ein Werkstück bahnförmig, kann das bahnförmige Werkstück über eine Walze abgerollt werden, die entsprechende nadelförmige Vorsprünge aufweist. Es ist auch möglich, die Vertiefungen mit Hinterschnitten auszuführen, um die Festigkeit der Verbindung der beiden Fügeflächen zu erhöhen.

Durch das Einbringen von Vertiefungen wird die Festigkeit der Verbindung deutlich erhöht, sodass auch Materialien, die keine Poren oder Fasern aufweisen, gut miteinander verbunden werden können.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden von nicht mit der ersten oder zweiten Fügefläche verschmolzenen thermoplastischen Partikel nach der Ultraschallbearbeitung entfernt. Dies kann beispielsweise mittels Absaugung erfolgen.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden faserförmige oder plättchenförmige thermoplastische Partikel verwendet, da diese nicht so leicht von den Fügeflächen herabrutschen bzw. herabrollen können. Die thermoplastischen Partikel können einfach auf die Fügefläche gestreut werden.

Die Erfindung ist insbesondere von Vorteil, wenn das erste Werkstück und am besten auch das zweite Werkstück bahnförmig ist, sodass dann die beiden Werkstücke während der Bearbeitung sogar durch den zwischen dem ersten Werkzeugteil, d.h. zum Beispiel der Sonotrode, und dem zweiten Werkzeugteil, d.h. beispielsweise dem Amboss verbleibenden Spalt hindurchbewegt werden können. Dadurch kann eine kontinuierliche Verbindung der beiden Bahnen erfolgen.

Die Erfindung ist nicht auf die Verbindung von genau zwei Werkstücken beschränkt. Es ist auch möglich, mehr als zwei Werkstücke zu verbinden. Werden beispielsweise drei Materialbahnen miteinander verschweißt, so sollten thermoplastische Partikel sowohl zwischen die erste und die zweite Materialbahn als auch zwischen die zweite und die dritte Materialbahn eingebracht werden, wenn alle drei Materialbahn einen zu geringen thermoplastischen Anteil haben. Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der zugehörigen Figuren.

Es zeigt:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.

In Figur 1 ist eine erste Ausführungsform gezeigt, die das erfindungsgemäße Verfahren umsetzt.

Bereitgestellt wird eine Sonotrode 1 und ein Gegenwerkzeug 2. Das Gegenwerkzeug 2 ist hier walzenförmig. Die Sonotrode 1 kann in eine Ultraschallschwingung versetzt werden. Zwei Materialbahnen 3, 4 sollen miteinander verschweißt werden. Daher werden sie aufeinanderliegend durch den Spalt zwischen der Sonotrode 1 und dem Gegenwerkzeug 2 geführt. Die Vorschubgeschwindigkeit der Materialbahnen entspricht der Umfangsgeschwindigkeit der Ambosswalze 2.

Während die beiden Materialbahnen 3, 4 zwischen Sonotrode 1 einerseits und Gegenwerkzeug 2 andererseits hindurchgeführt werden, wird eine Fügekraft auf die Bahnen ausgeübt und eine Ultraschallschwingung erzeugt. Um die Haftung zwischen den Materialbahnen zu verbessern werden thermoplastische Partikel 5 über die Zuführung 8 auf eine Fügefläche der Materialbahn 4 aufgebracht. Die Zuführung kann mit Hilfe einer Förderschnecke (nicht dargestellt) und einer druckluftbetriebenen Venturi-Düse 7 erfolgen.

Die zugefügten thermoplastischen Partikel 5 können lose und auf der Materialbahn 4 aufliegen bevor diese in Kontakt mit der Materialbahn 3 kommt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren befinden sich dann zwischen der Sonotrode 1 und dem Amboss 2 die beiden Materialbahnen 3,4 und zwischen den Materialbahnen sind einzelne thermoplastische Partikel 5 vorhanden.

Bei der Ultraschallbearbeitung werden die thermoplastischen Partikel 5 aufgeschmolzen, sodass sie in entsprechende Poren, Faserlücken oder vorher eingebrachte Vertiefungen in die Materialbahn 3 oder in die Materialbahn 4 eindringen können. Sobald beide Materialbahnen die Bearbeitung durch die Sonotrode 1 wieder verlassen haben wird eine Absaugvorrichtung 9 bereitgestellt, die überschüssige thermoplastische Partikel 5 absaugt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren konnten Naturfasern, wie z.B. Baumwolle miteinander verbunden werden. Beispielsweise konnten auch schon Materialien aus PP/PET Fasern gut miteinander verbunden werden.

Bezugszeichenliste

1 Sonotrode

2 Gegenwerkzeug 3, 4 Materialbahn

5 thermoplastische Partikel? Venturi-Düse

8 Zuführung

9 Absaugvorrichtung