Verfahren und Maschine zum Füllen und Verschliessen von Behältern, z. B. Flachtuben aus Kunststoff
Die Erfindung bezieht sich auf das Füllen von Behältern für flüssige oder fliessfähige Stoffe, z. B.
Flachtuben aus Kunststoff, deren abnehmbare Verschlusskappe eine mittels eines Verschlusszapfens verschliessbare Füllöffnung aufweist, die das Füllen des Behälters bei aufgesetzter Verschlusskappe ermöglicht.
Es ist bekannt, Behälterverschlüsse der vorgenannten Art z. B. durch Spritzen aus Kunststoff einstückig in der Weise herzustellen, dass der zum Verschliessen der Füllöffnung nach beendetem Füllvorgang dienende Verschlusszapfen mit der Verschlusskappe durch Abreissrippen oder -stege verbunden ist, die beim Einpressen des Zapfens in die ihn aufnehmende Kappen öffnung zerreissen. Diese bekannte Ausbildung des Verschlusses hat abgesehen von herstellungstechnischen Schwierigkeiten bei dem Formen des verhältnismässig komplizierten, aus Verschlusskappe und Verschlusszapfen bestehenden Spritzkörpers den Nachteil, dass die beim Abreissen des Zapfens von der Kappe verbleibenden Reste der Abreissrippen oder -stege einen einwandfrei dichtenden Sitz des in die Kappe eingepressten Zapfens unmöglich machen.
Man ist daher schon dazu übergegangen, den Verschlusszapfen getrennt von der mit einer mittleren Füllöffnung versehenen Verschlusskappe herzustellen und so auszubilden, dass er an einem Teil seiner Länge zylindrische Form hat und am verbleibenden Teil zwischen längsverlaufenden Rippen ausgesparte Einfüllöffnungen aufweist, durch die das Füllgut bei teilweise in die Füllöffnung der Kappe eingepresstem Verschlusszapfen hindurchtritt. Dies hat den Nachteil, dass der die Rippen aufweisende Zapfenteil eine erhebliche Verengung der Füllöffnung der Verschlusskappe bedingt, wodurch die Dauer des Füllvorganges in unerwünschter Weise verlängert wird.
Versucht man, die Verengung der Füllöffnung der Verschlusskappe durch entsprechend grössere Bemessung des Durchmessers dieser Öffnung teilweise auszugleichen, so entsteht die Schwierigkeit, dass ein einwandfrei dichtender Abschluss der Füllöffnung durch den Zapfen nicht mehr gewährleistet ist. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Verschlusszapfen erheblich länger als die Füllöffnung der Verschlusskappe bemessen und vor dem Füllvorgang von Hand in die Kappenöffnung teilweise eingedrückt werden muss.
Zur Vermeidung der vorgenannten Nachteile schlägt die Erfindung vor, das Füllen und Verschliessen von Behältern, deren abnehmbare Verschlusskappe eine mittels eines Verschlusszapfens verschliessbare Füllöffnung aufweist, in der Weise zu bewirken, dass zuerst das Füllgut durch die unverengte Füllöffnung der auf dem Behälter sitzenden Verschlusskappe in den Behälter eingebracht und nach dem Füllvorgang der Verschlusszapfen zugeführt und in die Füllöffnung eingepresst wird. Dieses Verfahren ermöglicht in vorteilhafter Weise einerseits die volle Ausnutzung des Querschnitts der Füllöffnung für den Füllvorgang und anderseits die Verwendung einfach und billig herzustellender Verschlusszapfen mit über die ganze Länge gleichbleibendem, vorzugsweise kreisförmigem Querschnitt, deren Länge nicht grösser zu sein braucht als die Länge der Füllöffnung der Verschlusskappe.
Um Tropfverluste bei dem Füllvorgang zu vermeiden, hat es sich als zweckmässig erwiesen, den Behälter während des Füllens und Verschliessens in einer Lage zu halten, in der die Verschlusskappe abwärts gerichtet ist, und das Einbringen des Füllgutes sowie die Zuführung des Verschlusszapfens von unten nach oben erfolgen zu lassen.
Gegenstand der Erfindung ist ferner eine zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens dienende Füllen und Verschliessmaschine, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie eine in zeitlicher Beziehung zu der Füllvorrichtung betätigte Verschlusszapfen-Zuführungseinrichtung aufweist, durch die bei jedem Arbeitsspiel der Maschine ein Verschlusszapfen selbsttätig aus einem Magazin zu der Verschlusskappe des zu füllenden Behälters befördert und nach beendetem Füllvorgang in die Füllöffnung der Kappe eingepresst wird.
Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung, die als Ausführungsbei; spiel der Erfindung einen teilweise schematischen senkrechten Schnitt durch eine Maschine zum Füllen und Verschliessen von Flachtuben aus Kunststoff zeigt.
Das Gestell der Maschine weist eine durch nicht dargestellte Füsse oder Ständer in Arbeitshöhe gehaltene Tischplatte 1 auf, an deren Ober- und Unterseite die verschiedenen Bestandteile der pneumatisch betätigten Füllen und Verschliessvorrichtung sowie der Haltevorrichtung für die zu füllende Flachtube und der Vorrichtung zum Zuführen und Einpressen der Verschlusszapfen angebracht sind.
Die Tubenhaltevorrichtung weist einen Kolben 2 auf, der mit einer Kolbenstange 3 fest verbunden ist, die an ihrem unteren Ende mittels eines Flansches 4 auf dem von der Tischplatte 1 getragenen Füllkopf 5 der Füllvorrichtung befestigt ist. Der Kolben 2 ist in einem Zylinder 7 angeordnet, dessen unterer Zylinderdeckel 6 einen Halter 8 trägt, der am äusseren Ende eine halbkreisförmige Aussparung 9 aufweist, in die der Hals der zu füllenden Flachtube 10 eingeführt werden kann. Beiderseits des Kolbens 2 weist der Zylinder 7 Öffnungen 11 und 12 auf, durch die mittels nicht dargestellten Zu und Ableitungen Druckluft in eine der beiden Zylinderkammern bei gleichzeitiger Entlüftung der anderen Kammer eingeführt werden kann.
Bei Zuführung von Druckluft durch die Öffnung 11 in die untere Kammer und gleichzeitiger Entlüftung der oberen Kammer durch die Öffnung 12 bewegt sich der Zylinder 7 nach unten, wodurch die auf den Hals der Flachtube 10 aufgeschraubte Verschlusskappe 14 in ein auf dem Füllkopf 5 angebrachtes Füllmundstück 13 eingeführt wird, wobei die ebene Stirnfläche der Kappe 14 flüssigkeitsdicht gegen eine an der Unterseite des Füllmundstücks 13 vorgesehene elastische Dichtungsscheibe 15 angedrückt wird. Die Kappe 14 weist eine ihren Boden durchsetzende zylindrische Füllöffnung 16 auf, die in der nachstehend beschriebenen Weise nach beendeter Tubenfüllung durch einen selbsttätig zugeführten und in die Öffnung eingepressten voll zylindnschen Verschlusszapfen 17 verschlossen wird.
Die Verschlusszapfen 17 werden aus einem senkrechten Magazinschacht 18 zugeführt, an den sich ein waagrechter Schacht 19 anschliesst. Die Zuführung erfolgt durch einen Stössel 20, der an einem pneumatischen Kolben 21 befestigt ist. Der Kolben 21 ist in einem Zylinder 22 verschiebbar, in den Kanäle 23 und 24 zur Zuführung von Druckluft in die eine Zylinderkammer bei gleichzeitiger Entlüftung der anderen Kammer münden. Bei Zuführung von Druckluft durch den Kanal 23 und Entlüftung durch den Kanal 24 wird der Kolben 21 nach links bewegt und ein Verschlusszapfen 17 aus dem waagrechten Schacht 19 in einen sich daran anschliessenden, zu dem Füllmundstück 13 führenden senkrechten Zuführungskanal 25 geschoben.
Wenn anschliessend der Kolben 21 durch Zuführung von Druckluft durch den Kanal 24 bei gleichzeitiger Entlüftung durch den Kanal 23 wieder nach rechts zurückbewegt wird, kann der unterste Verschlusszapfen 17 aus dem senkrechten Schacht 18 in den waagrechten Schacht 19 hinunterfallen.
Unter der Tischplatte 1 ist ein zweistufiger Druckluftzylinder 26 mit zwei Kolben 27 und 28 angeordnet. Der Kolben 28 ist mit einer Kolbenstange 29 verbunden, die mittels eines Flansches 30 an dem Maschinengestell, z. B. auf einem von diesem getragenen Arm 31 befestigt ist. Die Kolbenstange des Kolbens 27 bildet einen in den Zuführungskanal 25 ragenden Stössel 32, der dazu dient, die Verschlusszapfen vorzuschieben und die Füllöffnung 16 der Verschlusskappe 14 der gefüllten Flachtube 10 einzupressen.
Der Zylinderraum des Kolbens 28 weist Öffnungen 33 und 34 zur Druckluftzuführung und Entlüftung auf. Bei Zuführung von Druckluft durch die Öffnung 33 und gleichzeitiger Entlüftung durch die Öffnung 34 wird der gesamte Zylinder 26 mit dem Kolben 27 nach oben bewegt und dadurch dem Stössel 32 ein Teilhub erteilt. Die Grösse dieses Teilhubes ist so bemessen, dass ein auf dem Stössel 32 liegender Verschlusszapfen 17 am Hubende die Einmündung 35 eines mit dem Zapfenzuführungskanal 25 verbundenen Kanals 36 verschliesst, der über eine Schlauchleitung 37 an einem Unterdruckerzeuger, z. B. eine Vakuumpumpe 38, angeschlossen ist, die ständig in Betrieb sein kann und dazu dient, die Flachtube 10 vor dem Füllvorgang zu evakuieren.
Der den Kolben 27 enthaltende Zylinderraum des zweistufigen Zylinders 26 weist ebenfalls Öffnungen 39 und 40 zur Druckluftzuführung und Entlüftung auf. Bei Zuführung von Druckluft durch die Öffnung 39 und gleichzeitiger Entlüftung durch die Öffnung 40 wird der Kolben 27 weiter angehoben und dadurch dem Stössel 32 ein weiterer Teilhub solcher Grösse erteilt, dass der auf ihm liegende Verschlusszapfen 17 aus seiner Lage vor der Mündung 35 des Evakuierungskanals 36 zu der Verschlusskappe 14 der zuvor gefüllten Flachtube 10 befördert und in deren Füllöffnung 14 eingepresst wird, wodurch die Flachtube 10 flüssigkeitsdicht verschlossen ist.
Die Füllvorrichtung weist einen an der Unterseite der Tischplatte 1 befestigten Dosierzylinder 41 auf. Ein in diesem Zylinder bewegbarer Kolben 42 ist durch eine Kolbenstange 43 fest mit einem Kolben 44 verbunden, der in einem von der Tischplatte 1 getragenen Luftzylinder 45 bewegbar ist, an welchem Öffnungen 46 und 47 zur Druckluftzuführung und Entlüftung vorgesehen sind. Der über dem Kolben 42 befindliche Raum des Dosierzylinders 41 ist durch einen Kanal 48 über ein Einlass-Rückschlagventil 49 und eine Leitung 50 mit einem Vorratsbehälter, z. B. einem Fass 51, verbunden, in dem sich das in die Flachtube 10 abzufüllende Füllgut, z. B. flüssiges, erwärmtes Bodenwachs, befindet.
Bei Einführung von Druckluft in den Zylinder 45 durch die Öffnung 46 und gleichzeitiger Entlüftung durch die Öffnung 47 werden die Kolben 44 und 42 nach unten bewegt, so dass das Füllgut über die Leitung 50, das Einlass-Rückschlagventil 49 und den Kanal 48 in den oberhalb des Kolbens 42 befindlichen Zylinderraum des Zylinders 41 eingesaugt wird. Wird danach in Zylinder 45 Pressluft durch die Öffnung 47 bei gleichzeitiger Entlüftung durch die Öffnung 46 eingeführt, so bewegen sich die Kolben 44 und 42 nach oben. Hierdurch wird die in den Zylinder 41 eingesaugte Flüssigkeit durch einen Kanal 52, ein pneumatisch gesteuertes Auslassventil 53 und das Füllmundstück 13 in die Füllöffnung 16 der Verschlusskapsel 14 eingepresst und somit die Flachtube 10 gefüllt.
Die Kolbenstange 43 ist über den unteren Zylinderdeckel 54 des Zylinders 45 hinaus verlängert und trägt einen seitlichen Ausleger 55, an dem ein Schaltstab 56 befestigt ist. Am Ende des Aufwärtshubes der Kolben 44 und 42 betätigt der Schaltstab 56 den Schalthebel eines pneumatischen Impulsventils 57, welches über ein nicht dargestelltes Hauptsteuerventil eine selbsttätige Umschaltung der Druckluftzufuhr zu dem Zylinder 45 in der Weise bewirkt, dass nunmehr Druckluft in den Zylinder durch die Öffnung 46 bei gleichzeitiger Entlüftung durch die Öffnung 47 eingeführt wird. Infolgedessen werden die Kolben 44 und 42 wieder nach unten bewegt und neue Flüssigkeit in den Zylinder 41 eingesaugt. Der Hub der Kolben 42 und 44 kann durch eine in einem Joch 59 drehbar gelagerte Stellspindel 58 eingestellt werden.
Das Einlassventil 53 für das Füllgut wird durch einen Kolben 61 gesteuert, der in einem am linken Ende des Füllkopfes 5 angeordneten Zylinder 60 verschiebbar ist, welcher Öffnungen 62 und 63 zur Zuführung von Druckluft und Entlüftung aufweist.
Die Kolbenstange des Kolbens 61 trägt an ihrem äusseren Ende einen Ventilkonus 65, der mit einem durch eine Hülse 64 aus elastischem Werkstoff gebildeten Ventilsitz zusammenwirkt. Bei Einführen von Druckluft durch die Öffnung 62 bei gleichzeitiger Entlüftung durch die Öffnung 63 wird der Kolben 61 im Zylinder 60 nach rechts bewegt und dadurch das Ventil 53 geöffnet. Bei Umschaltung der Druckluftzufuhr wird der Kolben 61 nach links bewegt und der Ventilkonus 65 gegen den Ventilsitz 64 gedrückt, so dass das Ventil geschlossen ist.
Das vollständige Arbeitsspiel des Füllens und Verschliessens einer Flachtube 10 mittels der be schriehenen Maschine verläuft wie folgt:
1. Durch Einführen von Druckluft durch die Öffnungen 34 und 40 in den zweistufigen Luftzylinder 26 wird der Stössel 32 in die unterste Stellung bewegt.
Gleichzeitig tritt Druckluft durch die Öffnung 12 in den Zylinder 7 ein, wodurch der Tubenhalter 8 gehoben wird, so dass die bei dem vorangehenden Arbeitsspiel gefüllte und verschlossene Flachtube 10 aus der Aussparung 9 herausgezogen und eine neue Tube in den Halter 8 eingeführt werden kann. Zu gleicher Zeit tritt Druckluft durch die Öffnung 46 in den Zylinder 45 ein, wodurch der Kolben 42 bei geschlossenem Ventil 53 abwärts bewegt und eine durch die Stellspindel 58 eingestellte Flüssigkeitsmenge in den Zylinder 41 eingesaugt wird.
2. Durch Einführen von Druckluft durch den Kanal 23 in den Zylinder 22 wird der Kolben 21 vorgeschoben und dadurch ein Verschlusszapfen 17 in den Zuführungskanal befördert. Gleichzeitig wird der Zylinder 7 durch Einführen von Druckluft durch die Öffnung 11 abwärtsbewegt und dadurch die in den Halter 8 eingesetzte Flachtube 10 mit der aufgeschraubten oder aufgesetzten Verschlusskappe 14 in das Mundstück 13 des Füllkopfes 5 eingeführt und mit der Kappenstirnfläche gegen die Dichtungsscheibe 15 gepresst. Da zu diesem Zeitpunkt das Innere der Flachtube 10 über die freiliegende Mündung 35 des Evakuierungskanals 36 mit der Vakuumpumpe 38 in Verbindung steht, wird die in der Flachtube 10 enthaltene Luft herausgesaugt.
3. Sobald die Luft aus der Flachtube 10 entfernt ist, wird Druckluft durch die Öffnung 33 des zweistufigen Zylinders 26 eingeführt. Hierdurch wird der Zylinder 26 zusammen mit dem Kolben 27 und dem Stössel 32 so weit angehoben, dass der Stössel 32 den in den Zuführungskanal 25 eingeführten Verschlusszapfen 17 vor die Mündung 35 des Evakuierungskanals 36 bewegt wird und diese abdeckt. Der Werkstoff des Verschlusszapfens 17, sein Zylinderdurchmesser und der Durchmesser des Zuführungskanals 25 sind so gewählt, dass die Öffnung 35 von dem Zapfen 17 luftdicht abgeschlossen wird.
4. Durch die Öffnungen 47 und 62 wird Druckluft gleichzeitig in die Zylinder 45 und 60 eingeführt.
Dadurch wird der Kolben 61 nach rechts bewegt und der Ventilkonus 65 von der Hülse 64 abgehoben, so dass das Füllkopf-Einlassventll 53 geöffnet ist. Zu gleicher Zeit bewegt sich der Kolben 42 nach oben, so dass die zuvor in den Zylinder 41 eingesaugte Flüssigkeit durch das offene Einlassventil 53 in das Füllmundstück 13 und durch die Füllöffnung 16 der Verschlusskappe 14 in die Flachtube 10 gedrückt wird. Infolge der zuvor beschriebenen Hubbegrenzungsvorrichtung für den Kolben 42 wird jede Tube 10 mit einer durch die Spindel 58 genau einstellbaren Flüssigkeitsmenge gefüllt.
5. Sobald die Tube 10 gefüllt ist, wird Druckluft gleichzeitig durch die Öffnung 63 des Zylinders 60 und die Öffnung 39 des Zylinders 26 eingeführt.
Dadurch wird einerseits der Ventilkonus 65 des Füllkopf-Einlassventils 53 gegen die Hülse 64 gezogen und somit das Ventil geschlossen. Zu gleicher Zeit bewegt sich der Kolben 27 des zweistufigen Zylinders 26 nach oben, wodurch der Stössel 32 den vor der Öffnung 35 sitzenden Verschlusszapfen 17 nach oben schiebt und in die Füllöffnung 16 der Verschlusskappe 14 fest einpresst.
Nachdem hierdurch ein vollständiges Arbeitsspiel abgeschlossen ist, beginnt das nächste Arbeitsspiel, wobei im Verlauf des unter 1. beschriebenen Arbeitsganges die gefüllte Tube 10 aus der Maschine entfernt werden kann.
Die Steuerung der beschriebenen Arbeitsgänge kann durch eine beliebige Programmsteuerung gebräuchlicher Art, z. B. durch eine Reihe von elektrischen Zeitschaltern, erfolgen, die in einer einstellbaren Zeitfolge pneumatische Magnetventile erregen, wodurch jeweils nach Ablauf einer genau eingestellten Zeitspanne Druckluft in eine Zylinderkammer der verschiedenen Zylinder eingeführt und gleichzeitig die andere Zylinderkammer entlüftet wird.
Anstelle einer Programmsteuerung mit elektrischen Zeitschaltern kann die Steuerung der Maschine auch durch pneumatische Zeitschalter mit Verzögerungsrelais erfolgen. Diese arbeiten in der Regel so, dass in das Verzögerungsrelais von einem pneumatischen Impulsventil her Druckluft eingeführt wird, die sich an einer Drosselschraube vorbeiquetschen muss. Erst wenn nach einer bestimmten, genau e1n- stellbaren Zeitspanne genügend Luft mit entsprechendem Druck in einen hinter der Drosselschraube befindlichen kleinen Hilfszylinder gelangt ist, kann der Kolben dieses Zylinders verschoben und dadurch das eigentliche Druckluftventil betätigt werden.
Bei der erfindungsgemässen Maschine ist es zweckmässig, die reine Zeitschaltung durch einen von dem Füllvorgang gesteuerten mechanischen Schaltvorgang zu unterbrechen, wie er bei der dargestellten Ausführungsform durch den Schaltstab 56 und das Impulsventil 57 angedeutet ist. Da der Schaltstab 56 das Ventil 57 erst dann betätigt, wenn die eingestellte Flüssigkeitsmenge in die Tube 10 eingefüllt ist, ist dafür Sorge getragen, dass das Einsaugen neuer Flüssigkeit in den Zylinder 42 erst nach beendetem Füllvorgang unabhängig von dessen Dauer stattfinden kann. Dies ist von besonderer Bedeutung, wenn es sich um Füllstoffe wie z. B. Bodenwachs handelt, deren Viskosität sich in Abhängigkeit von der Temperatur stark ändert.
Würde man bei einer reinen Zeitschaltung die Dauer des Füllvorganges nach Massgabe des erwärmten Füllstoffes bemessen, so kann bei Abkühlung des Füllstoffes der Fall eintreten, dass infolge der durch die erhöhte Viskosität bedingten längeren Dauer des Füllvorganges das Einsaugen neuer Flüssigkeit in den Zylinder 41 bereits beginnt, bevor der Kolben 42 sein oberes Hubende erreicht hat. Aus dem gleichen Grunde kann es sich empfehlen, auch die Einsaugdauer des Füllgutes in den Zylinder 41 mechanisch zu steuern, indem beispielsweise das untere Ende des Schaltstabes 56 ein zweites, in der Zeichnung nicht dargestelltes Impulsventil betätigt.
Es versteht sich, dass die Erfindung im einzelnen nicht auf die beschriebene und dargestellte Ausführungsform beschränkt ist, sondern an dieser im Rahmen des Erfindungsgedankens verschiedenartige bauliche Abänderungen vorgenommen werden können. Beispielsweise können die bewegbaren Bauteile der Maschine statt auf pneumatischem Wege auch auf andere Weise, z. B. durch hydraulische, mechanische oder elektrische Antriebsmittel betätigt werden. Ebenso ist die Erfindung natürlich nicht auf das Füllen und Verschliessen von Flachtuben aus Kunststoffen beschränkt, sondern kann in gleicher Weise in allen Fällen Anwendung finden, in denen es sich darum handelt, Behälter beliebiger Form und aus beliebigen starren oder biegsamen Werkstoffen bei aufgesetzter Verschlusskappe mit flüssigem oder fliessfähigem Füllgut zu füllen und fest zu verschliessen.