Ultraschalltechnik für die Teebeutelproduktion

Teebeutel aus unterschiedlichen Materialien und Formen müssen heute wirtschaftlich in großen Stückzahlen und prozesssicher gefertigt werden. Mechanische Trenn- und Fügeverfahren sind hierfür genauso wenig praxisgerecht wie beispielsweise Lasertechniken. Beim Trennen werden die Ränder der Vliese oft fransig oder angeschmolzen, was zwar die Funktion nicht unbedingt beeinträchtigen würde, aber der Ästhetik und teilweise sogar dem Geschmack abträglich sein kann. Vor allem Laserverfahren sind zudem recht kostenintensiv, da zusätzliche Absaughauben für die Verbrennungsgase installiert werden müssen. Im Gegensatz dazu überzeugen die zum Trennen und Fügen in modernen Teebeutelproduktionsanlagen eingesetzten Ultraschallsysteme sowohl in technischer als auch in ökonomischer Hinsicht. Das Verfahren ist kostengünstig und umweltfreundlich, da es keinen Kleber oder sonstige Zusatzstoffe benötigt. Der genau reproduzierbare Prozess lässt sich einfach überwachen und dank kurzer Zykluszeiten steigt zudem die Produktionsrate.

Zum Schneiden und Schweißen mit Ultraschall kommen Frequenzen im Bereich von 35 kHz zum Einsatz. Erzeugt werden sie durch einen Piezo-Konverter, der eine Sonotrode in eine hochfrequente Schwingung versetzt, die in Resonanz besonders wirkungsvoll ist und dabei gleichzeitig wenig Leistung benötigt. So entstehen bei geringer thermischer Belastung von Produkt und Umgebung entweder saubere Schnitte oder hochfeste Fügeverbindungen. Bei Letzteren werden durch die akustischen Schwingungen die Moleküle der zu verbindenden Teile ebenfalls in Schwingung versetzt, was an den Kontaktstellen Wärme erzeugt, die die Materialgrenzen „aufbricht“ und die Materialien miteinander verschmilzt.

Das Ultraschall-Equipment besteht prinzipiell immer aus vier Komponenten: Dem Ultraschall-Generator, der die elektrischen Hochfrequenzschwingungen erzeugt, dem Konverter, der diese in mechanische Schwingungen umwandelt, einem Booster zur Verstärkung der Amplitude und der Sonotrode. Letztere leitet die mechanischen Schwingungen ins Werkstück ein. Konverter, Booster und Sonotrode sind mechanisch fest miteinander gekoppelt und akustisch in Resonanz aufeinander abgestimmt.

In der neusten Teebeutel-Produktionsanlage von IMA, der CT 11, sind insgesamt fünf Ultraschalleinheiten von Telsonic verbaut. Die Teeverpackung ist – vor allem bei den Pyramidenbeuteln – ein sehr komplexer Vorgang: Der Faden mit dem Etikett beispielsweise, den der Anwender zur Zubereitung abzieht, wird an bis zu sieben Punkten mit unterschiedlicher Festigkeit angeschweißt. Diese Aufgabe übernehmen zwei Sonotroden, die dank verschiedener Pins das Etikett am Faden und diesen dann mit genau definiertem, unterschiedlichem Druck auf dem noch flachen Vlies befestigen. Dieses Vlies kann wahlweise aus umweltfreundlichem, kompostierbarem PLA-Fasermaterial, Nylon oder PET bestehen.
Danach beginnt dann die eigentliche Teeverpackung, bei der weitere Ultraschallsysteme im Einsatz sind. So wird aus dem immer noch flachen Vlies mit einer kontinuierlichen Schweißnaht ein befüllbarer Schlauch. Die Sonotrode, die diese vertikale Finnnaht schweißt, besteht aus besonders widerstandsfähigem Stahl, weil sie in der Maschine gegen ein Rad arbeitet und durch diese Beschaffenheit dem hohen Druck standhalten kann.

Zwei weitere Sonotroden schweißen die Kopf- und Fußnaht. Hierbei werden die Beutel per Cut-and-seal-Verfahren gleichzeitig auch voneinander getrennt und einzeln verschlossen. Für das Schweißen und Schneiden ist damit nur ein Arbeitsgang erforderlich. Die Siegelnaht, die so entsteht, ist dicht und vor allem auch schmal, sodass das Vliesmaterial der Teebeutel bestmöglich ausgenutzt wird.

Die moderne Anlage, die sich für Kissen- und Pyramidenbeutel unterschiedlicher Füllmengen eignet, kann abhängig von der Beutelgröße bis zu 200 Stück pro Minute produzieren. Ein Formatwechsel ist relativ schnell möglich. Im Prinzip müssen lediglich das Formatrohr und die beiden Sonotroden für Kopf- und Fußnaht umgebaut werden.
Die Ultraschallgeneratoren der Baureihe MAG sind im Schaltschrank untergebracht. Ihr funktionales Design und ihre geringe Wärmeentwicklung erfüllen die hohen Ansprüche des modernen Anlagenbaus. Sie können sowohl über analoge als auch über digitale Signale angesteuert werden. Mit der Steuerung der Teebeutelproduktionsanlage kommunizieren sie über Powerlink. Die ersten Produktionsanlagen sind mittlerweile bei unterschiedlichen Herstellern in Betrieb, und die guten Erfahrungen mit der Ultraschalltechnik haben sich für den italienischen Maschinenbauer wieder einmal bestätigt.