СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНТЕЙНЕРА, ВКЛЮЧАЮЩИЙ В СЕБЯ УПЛОТНЕНИЕ ЧАСТЕЙ КОНТЕЙНЕРА
METHOD OF PRODUCING CONTAINER INCLUDING CONTAINER PARTS SEAL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к способу изготовления упаковки, включающему в себя соединение вместе первой и второй частей материала, в котором по меньшей мере первая часть материала образована многослойным материалом ламинатного типа, содержащим механически стабилизирующий слой картона, электропроводящий слой и свариваемый слой, где механически стабилизирующий слой образован картонным материалом, и тем самым первая часть материала выполнена таким образом, что свариваемый слой может быть расплавлен подачей энергии в электропроводящий слой, и в котором соединение вместе включает в себя этап, когда свариваемый слой прижат ко второй части материала, а энергия подается в электропроводящий слой.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Многослойный материал или ламинат, содержащий, например, слой картонного материала, алюминиевую фольгу и поддающийся сварке пластмассовый слой, часто используются при приготовлении упаковок, например, в пищевой промышленности. Различные части таких упаковок обычно соединяются таким образом, при котором эти части удерживаются вместе посредством давления, и при этом алюминиевая фольга нагревается наведением электрического тока с использованием высокочастотного генератора, что, в свою очередь, приводит к расплавлению свариваемого слоя и позволяет осуществлять их сцепление с плотным соединением. Примеры таких упаковок и способов известны, например, из SE431187, CN101607607, US5889263 и US5260535.
Настройка времени, мощности и выдерживаемого давления этапа нагрева/сварки, как правило, устанавливаются обычным опытным путем, при этом наиболее важными параметрами являются производительность и качество соединения. Обычно старались использовать максимально возможную мощность нагрева, такую высокую, которую позволяет соответствующая конструкция и используемые материалы, с тем, чтобы таким образом уменьшить требуемое для этого этапа время. Для проверенных материалов и проверенного оборудования обычно нет более важной задачи, чем добиться достаточно хорошей настройки, но тем не менее время от времени возникают проблемы с качеством соединений.
Чтобы уменьшить расход материалов и естественных ресурсов, представляет интерес попытка использования более тонкой алюминиевой фольги в ламинате, чем та, которая обычно используется. Однако оказалось, что, несмотря на обычную оптимизацию времени и мощности нагрева в лабораторном масштабе, когда такие ламинаты используются в реальной упаковочной линии, с протекающими соединениями возникают еще большие проблемы, чем обычно, что, как следствие, приводило к большей частоте протечек.
Таким образом, существует необходимость усовершенствования способа приготовления таких упаковок, в котором обеспечивалась бы повышенная степень герметичности соединений. В частности, это относится к материалам, не проходившим проверки, таким как, например, ламинат с более тонкой алюминиевой фольгой.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является обеспечить способ для автоматической подготовки упаковок вышеописанного типа, содержащих первую единицу и вторую единицу, в которой соединение этих единиц вместе было бы улучшено по сравнению с существующими способами. Эта цель достигнута посредством способа в соответствии с пунктом 1 формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения составляют предпочтительные варианты исполнения, модификации и варианты изобретения.
Настоящее изобретение относится к способу приготовления упаковки, включающему в себя соединение вместе первой и второй части материала, где по крайней мере первая часть материала составлена из многослойного материала ламинатного типа, содержащего механически стабилизирующий слой, электропроводящий слой и свариваемый слой, где механически стабилизирующий слой образован картонным материалом, где первая часть материала выполнена таким образом, что свариваемый слой может быть расплавлен подачей энергии в электропроводящий слой, и где соединение вместе включает в себя этап, когда свариваемый слой прижимается ко второй части материала, а энергия подается в электропроводящий слой.
Изобретение отличается тем, что подача энергии в единицу времени, то есть подача мощности в электропроводящий слой изменяется в течение периода времени, в котором энергия подается в этот электропроводящий слой, и подача мощности в конце периода подачи меньше, чем на более раннем этапе, при этом подача мощности имеет максимальную или почти максимальную допустимую величину во время первой фазы периода подачи, причем первая фаза составляет по меньшей мере 40% от периода подачи.
Положительный эффект такого способа состоит в том, что подача энергии согласована с уменьшением отвода тепла вследствие нагрева окружающего материала. Период подачи преднамеренно начинается при максимально возможной мощности, так чтобы нагрев и расплавление начинались как можно быстрее. В конце этого периода мощность может быть значительно уменьшена до величины вроде тепловой энергии технического обслуживания, которая дает расплавленному материалу время для заполнения неровностей и т.п. без риска перегрева. Между этими крайними моментами мощность может уменьшаться ступенчато или непрерывно таким образом, что расправление все время осуществляется настолько эффективно и быстро, насколько возможно без риска перегрева.
Способ в соответствии с настоящим изобретением представляет интерес в большинстве приложений с точки зрения оптимизации этапа соединения, но он представляет еще больший интерес в связи с использованием, например, более тонкой алюминиевой фольги, когда количество остаточного тепла после прерывания подачи энергии меньше, чем обычно, и могло бы быть недостаточным и для конечной заливки свариваемого слоя, и для заполнения неровностей.
Обычно участок свариваемого слоя прижат ко второй части материала, и при этом энергия подается по меньшей мере в соответствующий участок электропроводящего слоя. И вторая часть материала специально образована многослойным материалом, содержащим механически стабилизирующий слой, электропроводящий слой и свариваемый слой, при этом свариваемый слой может быть расплавлен подачей энергии в электропроводящий слой. В одном варианте первая и вторая части материала составляют отдельные единицы, предпочтительно, соответственно, конструкцию стенки, крышки или дна упаковки. В другом варианте первая и вторая части материала составляют части одной и той же единицы, предпочтительно, концевые края листа, которые после соединения друг с другом образуют конструкцию стенки упаковки.
В одном варианте исполнения подача энергии осуществляется индуцированием электрического тока.
В одном варианте материала электропроводящий слой расположен между механически стабилизирующим слоем и свариваемым слоем.
В одном варианте материала электропроводящий слой образован алюминиевой фольгой с толщиной менее чем 18 микрометров, предпочтительно, менее чем 12 микрометров, предпочтительно, менее чем 8 микрометров.
В одном варианте свариваемый слой составлен расплавляемым пластиком, таким как, например, полиэтилен. Обычно свариваемый слой имеет толщину в менее чем 100 микрометров.
В одном варианте подача мощности в электропроводящий слой изменяется посредством использования по меньшей мере первого и второго управляющих сигналов для управления генератором, предназначенным для подачи энергии/мощности в этот электропроводящий слой, при этом первый и второй управляющие сигналы можно одновременно поддерживать в подключенном состоянии для генерации первой подаваемой мощности, причем по меньшей мере первый сигнал может быть отключен, в то время как второй сигнал все еще подключен для генерации второй подаваемой мощности, которая меньше, чем первая подаваемая мощность, и уменьшение подаваемой мощности в момент перехода между первой фазой и последующими фазами периода подачи достигается отключением первого управляющего сигнала из состояния, при котором подключены оба управляющих сигнала.
Таким образом, быстрое уменьшение мощности до более низкого уровня мощности достижимо лишь отключением первого сигнала. Обычно для того, чтобы изменить выходную мощность, требуется поменять или изменить управляющий сигнал, для чего, как правило, требуется более длительный период времени с задержкой, часто свойственной генераторам сигнала, по сравнению с простым отключением сигнала и с обеспечением возможности управления подачей энергии уже включенным сигналом.
В одном варианте исполнения во время первой фазы периода подачи питания подключены и первый, и второй управляющие сигналы, а во время последующей фазы подключен только второй управляющий сигнал. Это простой способ - посредством использования постоянных управляющих сигналов организовывать подачу постоянной и высокой мощности во время первой фазы, и постоянной и низкой мощности во время последующей фазы при быстром уменьшении мощности между ними (отключением первого сигнала). Для осуществления последующих быстрых изменений мощности во время периода подачи питания могут быть использованы дополнительные управляющие сигналы подключения и отключения.
ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЕ ВАРИАНТЫ ИСПОЛНЕНИЯ
Оказалось, что после оптимизации подаваемой мощности, что может быть выполнено за очень короткое время (обычно - за 0,15-0,25 секунды), невозможно уменьшить давление, необходимое для соединения вместе посредством тепла. Теплый материал часто требует более продолжительного периода времени для того, чтобы слиться вместе, выровнять неровности и поглотить загрязнения свариваемых поверхностей. Такое загрязнение образуется из попадающих в упаковки веществ, которые часто дают пыль, или, аналогично, осаждаются на поверхностях упаковок.
В экспериментах, проведенных с более тонким алюминием, выяснилось, что такое сплавление не происходит так быстро. Для того чтобы обладать свойствами способности к поглощению и такими же свойствами по заполнению структуры, пластмассовые слои должны достигать нормальной толщины. Проблема, по-видимому, заключается в том, что при пробном использовании был изготовлен алюминий, на 30% более тонкий, а потому, когда подача электропитания была прекращена, в алюминии осталось на 30% меньше запасенной тепловой энергии. Этого количества остаточной энергии, предположительно, недостаточно для продолжения плавления и/или удержания тепла в пластике так, чтобы при "сварочном сжатии" оно могло образовать плотное сварное соединение. Во время подачи самой энергии от радиочастотного генератора, наводящего электрический ток в электропроводящем алюминиевом слое, алюминиевая фольга становится значительно теплее, чем пластик, в который она заламинирована. Обычным образом была проведена оптимизация, с тем, чтобы выйти на максимально возможную мощность и, таким образом, - температуру, для того, чтобы сократить время и тем самым обеспечить конкурентоспособную скорость. Существует максимальная подача питания, свыше которой алюминий становится слишком горячим, а пластик почти распадается, что нежелательно, если это доходит до заметной степени. Само по себе, это порождает проблемы, связанные с запахом, и уменьшает прочность соединения.
Не уменьшая подачу энергии после штатного окончания времени, а, вместо этого, продолжая подачу еще в течение нескольких сотых секунды, но при уменьшенной мощности, система может работать так, как если бы существовал запас тепла, содержащий на 30% больше алюминия, который, как таковой, в случае более тонкой фольги, отсутствует.
Такая быстрая смена мощности генератора, индуцирующего энергию в электропроводящем слое, может потребовать подачи специальных сигналов управления на генератор, который, сам по себе, нагружен, и который сразу же уменьшит мощность, если его сигнал управления уменьшится. Однако генераторы управляющих сигналов часто в определенной степени инерционны, поскольку они выполнены таким образом, чтобы не быть излишне подверженными воздействию всяких возмущений. Тогда, когда сигнал представляет собой постоянный ток, эта "субпроблема", в принципе, может быть решена одновременной подачей двух (или более) сигналов; предпочтительно, - одного высокого и одного низкого, и подключением их через диоды так, чтобы не мог протекать обратный ток. Когда основное время нагрева (первая фаза) истечет, высокий сигнал просто "отсекается", в то время как низкому сигналу разрешается оставаться необходимое дополнительное время. Таким образом можно достигать быстрого изменения сигнала, и затем - быстрого уменьшения подачи энергии, если генератор сигнала не построен для быстрой цифровой системы генерации сигнала.
Вкраце, можно сказать, что определенная заявителем проблема заключается в том, что более тонкая фольга дает меньшее содержание остаточной энергии/тепла, что приводит к более медленному расплавлению пластика и к протекающему соединению. Решение ее состоит в том, чтобы использовать высокую (максимально возможную) мощность нагрева в течение более длительного времени (например, 0,20 секунды - основной нагрев), за которой в течение более короткого времени (например, в течение 0,03 секунды - последующий нагрев) следует низкая мощность, возможно, посредством подачи на источник питания (высокочастотный генератор) сдвоенного сигнала. Это обеспечивает достаточное время и энергию для хорошего расплава. И времена, и мощность, конечно, должны быть адаптированы под используемый материал и другие обстоятельства.
Для того чтобы эту систему можно было использовать, то есть эффективность = быстроте, обусловленной отношением (выход/затраты×обслуживание), этот цикл должен быть, насколько возможно, быстрым. Для обеспечения газонепроницаемой сварки, несмотря на загрязненную поверхность свариваемого материала, требуется относительно толстый слой пластика. Для того, чтобы тепло быстро проникало через пластик к свариваемой поверхности, в слое, создающем тепло, необходимо быстро переходить к максимально высокой температуре. То есть необходим максимальный температурный градиент. Тогда сваривание вместе начинается наиболее быстро. Если нагрев при высокой мощности выполняется слишком долго, пластик становится слишком горячим и, помимо разрушения, он будет слишком легко растекаться и выжиматься из области сварки.
Поскольку в слое генерации (куда поставляется тепло/энергия) тепловая энергия существует больше в форме повышенной температуры, то нагрев в области сварки после выключения генератора питания продолжается. Это может быть использовано для завершения сварки при сохранении давления. Если давление будет "снято", когда температура еще высока или, что еще хуже, все еще повышается, то соединение, которое теперь из-за отсутствия давления необходимо удерживать, становится очень слабым, и оно навряд ли сможет выдержать обычные нагрузки при последующих непрерывных обращениях с упаковкой. То есть это соединение разойдется. Если время нагрева (период подачи питания) будет увеличено, то можно будет использовать постоянную и - по сравнению с чрезвычайно высокой начальной мощностью - несколько меньшую мощность (то есть такую, которая использовалась обычно), но из-за увеличенного времени нагрева продолжительность цикла "потеряна"; этап соединения занимает более длительное время.
В соответствии с изобретением можно максимально увеличить процедуру сварки (даже выше, чем если бы одна и та же мощность поддерживалась в течение всего периода) и сделать так, чтобы процедура сварки начиналась как можно быстрее и компенсировала возможный потерянный запас тепла из-за более тонкого материала генерацией достаточного количества тепла в течение соответствующего периода времени после выключения фазы высокой мощности.
Сначала, возможно в течение нескольких миллисекунд, возможно в соответствии с настоящим изобретением работать при подаче мощности, создающей более высокую температуру, чем та, которая обычно представляется максимальной температурой (для создания постоянного эффекта), для того, чтобы повысить температуру в генерирующем слое как можно быстрее, а затем - отступить назад к такой мощности, которая соответствует выводу тепла в пластиковый материал и, наконец, - снова подавать пониженную мощность, соответствующую накоплению тепла в более толстом материале. Мощность может быть непрерывно регулируемой как функция уменьшенного отвода тепла вследствие нагрева окружающего материала. Холодный материал, как таковой, все более и более отступает. Таким образом, можно управлять результатом работы генератора в соответствии с какой-либо кривой. Сигнал может быть цифровым, но тем не менее следовать за кривой. Это может быть трудно организовать, но могут быть использованы существующие на рынке обычные генераторы, если им позволить работать с уровнем сигнала дополнительной мощности, как описано выше. Таким образом, дополнительный сигнал управления может быть отключен, например, после нескольких миллисекунд первой фазы.
Настоящее изобретение особенно подходит для систем с относительно толстым свариваемым слоем и, в частности, тепловыделяющим слоем. Он может обладать металлической электропроводностью или электропроводностью иного типа. Выше обсуждался главным образом индукционный нагрев. Предположительно, может быть использован свариваемый пластик с электрической проводимостью (как альтернатива или дополнение к алюминиевой фольге). Изобретение применимо, даже если нагрев является емкостным. В этом случае вместо электропроводящего материала в высокочастотном магнитном поле, созданном посредством катушки индуктивности, запитанной высокочастотным переменным током, имеется полярный материал в высокочастотном электрическом поле, созданном между двумя электродами. Такая нагревательная система может также, как описано выше, использовать несколько одновременных управляющих сигналов, при этом управляющий сигнал или сигналы, генерирующий(ие) более высокую мощность питания, отключается (отключаются) для того, чтобы быстро уменьшить подаваемую от генератора мощность, использовавшуюся, когда эта более низкая мощность получалась не из отключенного управляющего сигнала.
Обычно часто используется имеющая 9 микрометровую толщину алюминиевая фольга с пластиком75 микрометровой толщины. В экспериментах была использована 6,35 микрометровая алюминиевая фольга с пластиком такой же толщины.
Таким образом, более тонкая толщина алюминиевой фольги составляет лишь 70,5% от "старой", что, можно сказать, является использованием на 30% меньшей массы алюминия.
Если используются два постоянных уровня мощности, - высокий уровень мощности с самого начала для основного нагрева и низкий уровень в конце для "посленагрева", то интервал в 0,15-0,25 секунды для основного нагрева и еще 0,10 секунды для "посленагрева" должен перекрывать наиболее интересные применения. Тогда в этом случае может быть использовано регулирование мощности посредством двух раздельных и постоянных управляющих сигналов, которые включаются и выключаются. Эти два сигнала, предпочтительно, включаются во время основного нагрева (первая фаза), а когда должен начаться посленагрев (последующая фаза), один из управляющих сигналов, - тот, который дает высокую мощность, отключается, так что при этом подается пониженная мощность - в соответствии со вторым управляющим сигналом, который в это время уже включен, и в этот имеющийся короткий временной интервал его подключать не надо. Следовательно, в соответствии с этим способом управления нет необходимости изменять управляющий сигнал, а следует просто отключить один из сигналов.
Первая фаза (основной нагрев) составляет по меньшей мере 40% от периода подачи. Предпочтительно, последующая фаза (посленагрев) является укороченной, как только можно, так, чтобы первая фаза составляла по меньшей мере 60% или даже по меньшей мере 80% от периода подачи.
Предпочтительно, электропроводящий слой образован алюминием. Из-за его свойств общепринято использование алюминия для упаковок по другим причинам, кроме того, его можно использовать для нагрева самого себя посредством индукции. Для работы необходим электропроводящий материал определенного рода, и если уж есть алюминий, он может быть выгодно использован. Свариваемый, сваривающийся слой - обычно термопласт, например, полиэтилен. В принципе, алюминиевый барьерный слой и пластик составляют свариваемый слой, которым покрыт или к которому приламинирован алюминий. Стабильность формы достигается картоном, на который ламинированием нанесены слои алюминия и свариваемого пластика, или же этот картон посредством экструзии покрыт связующим пластиком, который соединяет алюминиевую фольгу и картон, а затем - слоем свариваемого пластика. Можно определить, что настоящее изобретение относится, главным образом, к многослойным материалам ламинатного типа, где картонный материал составляет механически стабилизирующий материал, алюминий - несущий материал и электропроводящий материал (для генерации тепла), и где пластик функционирует как уплотнительный материал и свариваемый материал. Различные слои могут образовывать части элементов, к которым относится этот обладающий признаками изобретения способ.
Настоящее изобретение не ограничено вышеописанными вариантами исполнения и может изменяться в пределах того, что определено приложенными пунктами формулы изобретения. Например, электропроводящий слой может быть образован другим материалом, а не алюминием, например, - электропроводящим пластическим материалом. Более того, электропроводящий слой и свариваемый слой могут быть заменены одним слоем, который является и электропроводящим, и свариваемым. Кроме того, в состав многослойного материала могут входить и другие слои.