[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbindung von Papierlagen.
[0002] Verfahren zur Verbindung von Papierlagen sind seit Jahrzehnten bekannt. Sie sind
wesentlicher Gegenstand der Buchbinderei. Innovationen in der Technik des Verbindens
von Papierlagen drängten sich mit dem Aufkommen von Hochleistungsdruckanlagen auf,
die bis 100'000 Druckerzeugnisse pro Stunde herstellen können.
[0003] Für die Massenbindung von Papierlagen, wie sie in Druckereien auftreten, haben sich
vor allem die Klebebindung, die Fadenheftung und die Drahtheftung bestens bewährt.
[0004] Die Klebebindung wird vorzugsweise zum Binden von Büchern, Katalogen und Fachzeitschriften
verwendet.
[0005] Oft werden verschiedene Klebvorgänge miteinander kombiniert. Beispielsweise wird
vorerst eine niedrigviskose Schicht hoher Benetzung, anschliessend die Haftung verbessernde
Schichten aufgetragen. Auf diese Weise lässt sich die Bindequalität gegenüber den
einfacheren Verfahren wesentlich steigern.
[0006] Bei verleimten Heften beträgt die Breite des Leimauftrages üblicherweise 4 mm. Es
können durch Verleimung ca 15 000 Exemplare/Stunde gebunden werden, wobei der Leimtrocknung
im Fliessband eine beachtliche Strecke eingeräumt werden muss.
[0007] Ein wesentlicher Nachteil des Verfahrens ist die Trocknungszeit, die dem Klebgut
zugestanden werden muss.
[0008] Zusammenfassend kann die Klebebindung als ein erfolgreich eingesetztes Verfahren
zum Binden von Büchern, Katalogen und Fachzeitschriften angesehen werden. Wegen der
erforderlichen langen Trocknungszeit der Verleimung dürften sich die beschriebenen
Verfahren- mit wenigen Ausnahmen - für das Binden von Heften im Schuppenstrom der
getrennten Papierlagen einer Druckgut-Verarbeitungsmaschine weniger eignen.
[0009] Ein weiteres, bewährtes Verfahren zur Heftung von Papierlagen ist die Fadenheftung.
Dieses Verfahren ist allerdings durch die Klebebindung in den Hintergrund verdrängt
worden. Erst durch eine wesentliche Erhöhung der Heftleistung hat dieses Verfahren
wieder Bedeutung erlangt.
[0010] Gegenüber der Klebebindung besitzt die Fadenheftung eine Anzahl Vor- und Nachteile.
Während die Qualität der Klebebindung wesentlich von der Papierart abhängt, ist die
Fadenbindung weitgehend von der Papierqualität unabhängig.
[0011] Zusammenfassend kann die Fadenheftung als relativ langsame Methode als gut geeignet
für das hochqualitative Binden von Büchern angesehen werden.
[0012] Die grösste Bedeutung für das Heften von Druckmaterial in Heft- und Broschürenform
besitzt die Drahtheftung. Rotations-Drahthefter besitzen eine hohe Leistung, sind
aber verhältnismässig teuer. Der Umfang eines Heft-Exemplars kann bis zu 100 Seiten
umfassen. Beim Rotations-Drahtheften wird die Drahtklammer durch den ausgebreiteten
Papierstoss gegen ein Widerlager ohne Verschlussmechanik gedrückt.
[0013] Einzel-Drahthefter leisten in Stückzahlen pro Zeiteinheit weniger als Rotations-Drahthefter;
sie sind aber auch teuer. Allerdings kann das Produkt bis über 300 Seiten umfassen.
Einzel-Drahthefter besitzen ein Heft-Widerlager mit einer Verschlussmechanik.
[0014] Ein Vorteil der Drahtheftung ist die Möglichkeit zum vollständigen Oeffnen des Heftes.
Es ist keine verschlossene Falzkante vorhanden, die einen Teil der Druckinformation
abdeckt.
[0015] Als Nachteil der Drahtheftung muss der Materialauftrag durch die Klammer im Rücken
angesehen werden, welcher die Stapelbarkeit der Produkte beschränkt. Weiterhin erfordert
die Auswahl, Lagerung und Verarbeitung des geeigneten Drahtmaterials zusätzlichen
Aufwand. Ebenfalls sind der Zuverlässigkeit der Drahtheftung Grenzen gesetzt - vor
allem wenn es sich um dicke, mehr als 200 Seiten umfassende Papierlagen handelt.
[0016] Es ist auch aus der Europäischen Patentanmeldung EP-A1-0014946 ein Verfahren bekannt,
in dem das Abbinden von Leim durch Ultraschallbehandlung verkürzt wird, wodurch die
obengenannten Nachteile des Leimverfahrens teilweise vermieden werden können. Es ist
auch beispielsweise in den Patentschriften US-4149288 oder FR-1382415 beschrieben,
dass Papierlagen ohne Aufbringen eines Leims mit Ultraschalleinwirkung verbunden werden
können. Es zeigt sich aber, dass derartige Verbindungen sehr schwach sind.
[0017] Es besteht damit ein Interesse für ein Verfahren, das sich in den Verarbeitungsprozess
des Druckgutes einer Hochleistungs-Druckmaschine integrieren lässt, das also eine
dem Drahtbindeverfahren vergleichbare Leistungsfähigkeit besitzt, aber dessen erwähnten
Nachteile, wie beispielsweise das Verwenden von Metall, nicht aufweist. Bei der Suche
nach einem solchen Verfahren wäre das Augenmerk vor allem darauf zu richten, dass
die einzelnen Papierblätter nicht separat einer aufwendigen Vorbereitung, wie beispielsweise
das Anbringen von Leimstreifen, unterzogen und dass keine Puffer- bezw. Zwischenlagerzeiten
durch lange Trocknungszeiten in Kauf genommen werden müssen.
[0018] Es ist damit Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Verbinden von Papierlagen unter
Vermeidung der Nachteile der bekannten Papierheftmethoden zu schaffen.
[0019] Die Aufgabe wird gelöst, indem die zu verbindende Papierlagen befeuchtet und unter
Ultrasschalleinwirkung verbunden werden, gemäss Erfindungsdefinition im Patentanspruch
1.
[0020] Papierlagen unter Ultraschalleinwirkung zu verschweissen ist, wie bereits erwähnt,
bekannt. Die Methode beruht wie das Ultraschallverschweissen von Metall oder Kunststoff
darauf, dass das Schweissgut unter Ultraschalleinwirkung aufgrund seiner inneren Reibung
in der Kontaktregion derart erwärmt wird, dass eine Aufschmelzung des zu verbindenden
Materials und damit eine Verschweissung zustande kommt. Es sei in diesem Zusammenhange
auf die Schrift "Ultraschall für das Kunststoff-Fügen" von R. Altena, W.-R.Behnke,
L.Horvath, H.-J.Rheinhardt und W.Ruhland, herausgegeben von Branson Schallkraft GmbH,
Industriestrasse 48,D-6056 Heusenstamm, hingewiesen.
[0021] Mit Ultraschall organische Faserstoffe, wie Papier, Karton, Holz, Geweben und Non-Woven
zu verbinden, ist schwierig, da sich solche Materialien unter ultraschallbedingter
Wärmeeinwirkung in der Regel zersetzen und in Anwesenheit von Sauerstoff gegebenenfalls
sogar in Brand geraten. Vor allen Dingen lassen sie sich nicht in eine flüssige Phase,
die für eine Verschweissung notwendig ist, überführen.
[0022] Aufgrund eigener Untersuchungen wurde hingegen festgestellt, dass bereits eine sehr
dünne Beschichtung genügt, um eine hinreichende Haftung zwischen den Papierlagen zu
gewährleisten. Diese Beschichtung kann beispielsweise eine Druckfarbe sein, die während
der Bedruckung aufgebracht wird oder ein dünner, raschtrocknender Kunststoffilm. Gegebenenfalls
kann ein geeignetes Bindemittel bereits bei der Papierherstellung eingearbeitet werden.
Die gleichzeitige Einwirkung von Wärme, Druck und einer Vibrationsbewegung bewirken
selbst beim Vorliegen einer sehr kleinen Bindematerialmenge eine hinreichende Haftung
der Papierlagen.
[0023] Die Verbindung von Papierlagen durch Verklebung ist zwar bekannt, doch erfordert
dieses Verfahren, dass unmittelbar vor der Verklebung Klebstoff auf dem Klebgut angebracht
werden muss. Damit ist einerseits ein zusätzlicher Arbeitsgang notwendig, bei welchem
die Papierblätter einzeln mit Klebstoff versehen werden und andererseits muss beachtet
werden, dass sich die zur Verbindung vorbereiteten Papierblätter nicht vorzeitig berühren.
Das vorgeschlagene Ultraschallverfahren erlaubt es hingegen, dass das Papier gleichzeitig
mit der Bedruckung zur anschliessenden Verbindung vorbehandelt werden kann - der Vorbehandlungsprozess
also in den Druckvorgang integrierbar ist - und vor allem, dass die weitere Verarbeitung
des Druckgutes, wie Schneiden, Ordnen der Einzelblätter und Falzen der Papierlagen,
durch die Verbindungsvorbehandlung nicht beeinträchtigt wird. Insbesondere ist es
von Vorteil, dass die Papierlagen in Analogie zur Draht- oder Fadenheftung verbunden
werden können.
[0024] Beispielsweise Angaben und Vorrichtungen zur Durchführung solcher Verbindungen sind
anhand der folgenden Abbildungen beschrieben:
- Fig. 1
- zeigt eine Prinzip-Darstellung einer Ultraschall-Schweissvorrichtung wie sie beispielsweise
zum Verbinden von Kunststoffen verwendet wird,
- Fig. 2
- veranschaulicht das Prinzip einer Ultraschallwandler-Booster-Sonotroden-Vorrichtung,
- Fig. 3
- zeigt eine erste mögliche konische Formgebung der Spitze der Sonotrode,
- Fig. 4
- ist eine Darstellung einer zweiten, als Schneide ausgebildete Formgebung der Sonotrode
und
- Fig. 5
- zeigt eine dritte mögliche Formgebung der Sonotrode in Form einer Schneide mit Einkerbungen.
- Fig. 6
- ist eine Darstellung eines Papierblattes mit streifenförmiger Vorbehandlung,
- Fig. 7
- zeigt eine Darstellung einer Vorrichtung zum Ultraschallverschweissen von Papierlagen
mittels eines plattenförmigen Widerlagers und
- Fig. 8
- zeigt die entsprechende Verschweissung von Papierlagen auf einem Rücken mittels eines
leistförmigen Widerlagers.
- Fig. 9
- ist eine Darstellung eines Beispiels für eine Druckanlage, in die eine Ultraschallschweiss-Vorrichtung
integriert ist.
[0025] In Fig. 1 ist ein Beispiel des prinzipielle Aufbau eines Ultraschallgerätes, wie
es zum Verschweissen von Kunststoffen eingesetzt wird, dargestellt:
[0026] Das Steuergerät 10 besteht aus einem Netzteil 11, dem Verstärker 12, dem Hochfrequenztransformator
13 und einem abstimmbaren Mitkoppler 14. Letzterer ist über den Mitkopplungskeis 15
mit dem Eingang des Verstärkers 12 und dem Hochfrequenztransformator 13 verbunden.
Am Hochfrequenztransformator ist als frequenzbestimmendes Glied der Ultraschallschwinger
20 angeschlossen. Diese Schaltung gewährleistet, dass der Ultraschallschwinger 20
in akustischer Resonanz betrieben werden kann, was für eine gute Uebertragung der
Schwingungsleistung von der Quelle zum Arbeitspunkt notwendig ist. Durch Abstimmung
des Mitkopplers 14 lässt sich die Phasenlage des Hochfrequenzoszillators optimieren.
[0027] Der prinzipielle Aufbau des Ultraschallschwingers 20 ist in Fig. 2 dargestellt. Diese
Vorrichtung setzt sich in der Regel aus einem Ultraschallwandler 21 und dem schwingenden
Werkzeug der sog. Sonotrode 24 zusammen. Der Ultraschallwandler 21 besteht aus einem
Stapel von parallel beschalteten Piezo-Keramikplatten 22. Gegebenenfalls ist zwischen
dem Ultraschallwandler und der Sonotrode ein Schall-Amplitudentransformator, ein sog.
Booster 23, zwischengeschaltet. Dieses passive Element 23 bewirkt eine Erhöhung, oder
Erniedrigung der Schwingungsamplitude. Die Sonotrode, das eigentliche Verbindungswerkzeug,
gewährleistet an dessen Spitze 25 die Uebertragung der Ultraschalleistung auf des
zu verbindende Schweissgut 26. Ein Widerlager 27 dient zum Abfangen des Anpressdruckes,
welches das Sonotrodenende auf das Schweissgut 26 ausübt. Das Widerlager 27 muss derart
beschaffen sein, dass es möglichst wenig der angewandten Ultraschalleistung aufnimmt,
d.h. es muss gegenüber dem Schweissgut 26 eine möglichst hohe mechanische Trägheit
besitzen und möglichst undeformierbar sein.
[0028] Das System Ultraschallwandler 21 - Booster 23 - Sonotrode 24 wird, wie erwähnt, in
akustischer Resonanz betrieben. Bei den meisten Anwendungen wird eine Longitudinalschwingung
angeregt. Ultraschall-Schweissgeräte arbeiten in der Regel bei einer Frequenz von
20 kHz, bis 40 kHz. Typischerweise beträgt die longitudinale Schwingungsamplitude
an der Spitze 25 der Sonotrode 24 ca. 100 um bei 20 kHz-Betrieb und ca 50 um bei 40
kHz.
[0029] Die Vorrichtung, bestehend aus der Steuervorrichtung 10 und dem Ultraschallschwinger
20, wird üblicherweise mittels einer Regelung derart betrieben, dass die mechanische
Amplitude an der Sonotrodenende 25 - unabhängig von der Dämpfung durch das Schweissgut
26 - einen konstanten, vorgegebenen Wert hat. Bei komfortableren Ultraschallschweissanlagen
kann zusätzlich zur Ultraschalleistung der Anpressdruck, der das Sonotrodenende 25
auf das schweissgut 26 ausübt, sowie die Zeit der Ultraschalleinwirkung vorgegeben
werden.
[0030] Die Wahl des Boosters 23, sowie die Formgebung der Sonotrode 24 richtet sich nach
Art des Schweissgutes 26 und der auszuführenden Verschweissung. Beispiele der gebräuchlichsten
Sonotroden-Formen sind in der bereits erwähnten Arbeit "Ultraschall für das Kunststoff-Fügen"
von R. Altena, W.-R.Behnke, L.Horvath, H.-J.Rheinhardt und W.Ruhland aufgeführt.
[0031] In den Fig. 3 bis Fig. 5 sind einige Beispiele von Sonotroden dargestellt, die für
Anwendungen, die später erwähnt werden, besonders günstig sind. So zeigt Fig. 3 eine
konisch, 31, in eine Spitze 32 auslaufende Sonotrode 24, die sich zur Schaffung von
punktförmigen Verschweissungen eignet.
[0032] Fig. 4 veranschaulicht eine Sonotrode mit einem flachen Sonotrodenende 41 und schneidenförmiger
Schweisskante 42. Diese Ausführungsform der Sonotrode 24 eignet sich insbesondere
zur Herstellung einer langen schmalen Schweissnaht.
[0033] Fig. 5 zeigt eine Kombination der beiden Ausführungsformen von Fig. 3 und Fig. 4.
Das flache Sonotrodenende 41 ist ähnlich schneidenförmig gestaltet wie diejenige,
42, von Fig. 4. Allerdings ist zur Erhöhung des lokalen Anpressdruckes zwischen Sonotrode
24 und Widerlager 27 die schneidenförmige Schweisskante 42 mit Einkerbungen 53 versehen.
Es können damit simultan in einer langen und schmalen Schweissnaht liegende Schweissstellen
erzeugt werden.
[0034] Mit Vorrichtungen, wie sie in den Fig. 1 bis Fig. 5. dargestellt sind, lassen sich
Lagen aus trockenem, unbedrucktem Papier, wie bereits erwähnt, nicht verbinden. Entsprechende
Versuche zeigten nur eine Schwärzung, welche auf die ultraschallbedingte thermische
Einwirkung zurückzuführen war. Ein weiterer Schritt wäre, die einzelnen Papierfasern
während der Ultraschallbewegung ineinander verfilzen zu lassen - vor allem wenn eine
zur Papieroberfläche transversale Ultraschallbewegung ausgeführt wird. Eine solche
Verfilzung konnte mit einer Longitudinalbewegung schwach nachgewiesen werden.
[0035] Bedeutend bessere Resultate liessen sich erreichen, wenn die Papierlagen leicht befeuchtet
sind. In diesem Falle wird die Papierstruktur leicht zerstört - es bildet sich lokal
ein Papierbrei, wie er bei der Papierherstellung vorhanden ist. Bei der darauffolgenden
ultraschallbedingten Erwärmung und Pressung findet, in Analogie zum eigentlichen Papierherstellungsprozess,
eine Verfilzung und Verleimung der Papierfasern statt. Auf diese Weise ist bereits
eine beschränkte Haftung der Papierlagen möglich.
[0036] Bessere Resultate lassen sich allerdings erreichen, wenn das Papier mit einer schmelzbaren
Beschichtung versehen ist, wobei ein sehr dünner Film durchaus genügt. Bereits beim
Trennen von zwei Papierlagen, von der die eine unter Anwendung gewöhnlicher Druckerschwärze
bedruckt, die andere unbedruckt ist, kann nach der Ultraschalleinwirkung eine teilweise
Uebertragung der Druckfarbe auf das unbedruckte Blatt festgestellt werden. Das bedeutet,
dass die Haftung der Druckfarbe am unbedruckten Blatt ebenso gut ist, wie deren Haftung
bei der ursprünglichen Applikation. Eine starke Bedruckung, beispielsweise Dunkelbrauntöne
auf Glanzpapier, wie sie bei illustrierten Zeitschriften lokal vorhanden sind, ergeben
unter der Einwirkung des Ultraschalles eine sehr gute Haftung.
[0037] Zur Gewährleistung einer zuverlässigen Verbindung ist eine Vorbehandlung des Papiers,
wie erwähnt, empfehlenswert. Es bestehen dazu verschiedene Möglichkeiten.
[0038] Fig. 6 zeigt eine Darstellung eines Papierblattes, das für die Ultraschallverschweissung
vorbehandelt worden ist. In der Falzregion 62 des Heftes des Papierblattes 61 ist
ein seitlich begrenzter Streifen 63 definiert, der mit einem Druckfarbstoff oder einem
bei höherer Temperatur schmelzenden Kunststoff versehen ist. Solche Streifen 63 können
beispielsweise zusätzlich oder alternativ in Regionen 64 des Blattes 61 angebracht
werden, wo später Einlageblätter, Anmelde- und Bon-Formulare, oder Kunstdrucke eingefügt
werden. Die Streifenregionen 63, 64 können entweder im Rahmen des Druckvorganges -
beispielsweise durch eine Mehrfachbeschichtung durch Druckfarben, einen speziellen
viel Bindemittel enthaltenden Druckfarbstoff - oder in einem zusätzlichen Bearbeitungsschritt
des Papiers 61 angebracht werden.
[0039] Eine andere Möglichkeit der Vorbehandlung für die nachträgliche Ultraschallverschweissung
des Papiers 61 besteht in einer nicht scharf begrenzten Applikation eines farblosen
Bindemittels, beispielsweise eines sehr dünnen Kunststoffilmes. Eine solche Vorbehandlung
erfordert keine Veränderung des Druckprozesses, beispielsweise durch Verwendung eines
speziellen Druckfarbstoffes. Die Vorbehandlung könnte beispielsweise durch eine Besprühung
des bedruckten Blattes in der Binderegion bewerkstelligt werden. Der Materialauftrag,
der in der Regel ohnehin in die Falzregion fällt würde wegen des minimalen Materialauftrages
kaum störend wirken.
[0040] Eine weitere Papierbehandlung besteht darin, dass das Papierblatt entweder während
des Herstellungsvorganges während, oder nach dem Druckvorgang für die Ultraschallverschweissung
ganzseitig vorbehandelt wird. Mit einer Vorbehandlung während oder unmittelbar nach
der Papierherstellung, bezw. vor oder während des Druckvorganges könnte beispielsweise
zusätzlich ein erwünschter Glanzeffekt, Feuchtigkeitsschutz oder dergleichen erreicht
werden.
[0041] Als weitere Art der Vorbehandlung kann beispielsweise in die Falzregion 63 der bereits
gestapelten Papierlagen Bindemittel oder Wasser injiziert werden. Die Papierlagen
können vorperforiert und gleichzeitig oder nachträglich mittels Hohlnadeln oder kanülierten
Nadeln mit Bindemittel oder Wasser versehen werden. Ferner besteht die Möglichkeit,
Flüssigkeitstropfen in die Papierlagen einzuschiessen. (Siehe Näheres in der parallel
eingereichten Patentanmeldung EP-A-0390734 mit dem Titel "Verfahren zur Klebebindung
von Papierlagen".)
[0042] Wie bereits erwähnt, ist zum Auffangen des Anpressdruckes, der die Sonotrode 24 auf
das Schweissgut 26 ausübt, ein Widerlager 27 notwendig. dieses Widerlager kann eine
Platte sein, wie das in Fig. 7 festgehalten ist.
[0043] Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass das Widerlager eine ristförmige Vorrichtung
27′ ist, auf dem die Papierlagen im Schuppenstrom der Druckmaschine, wie in Fig. 8
dargestellt, gelagert sind. Das Widerlager kann in diesem Falle stab- oder ristförmig
ausgebildet sein.
[0044] Fig. 9 zeigt ein Beispiel einer Prinzipdarstellung einer Druckanlage mit integrierter
Ultraschallschweiss-Vorrichtung für Papierlagen. Das Papier gelangt von der Papierlade-Vorrichtung
90 zur Druckvorrichtung 91, die aus mehreren Druckstufen bestehen kann. Anschliessend
wird das Druckgut längs geschnitten und gegebenenfalls einer Schneidevorrichtung 92
zugeführt. Das Druckgut gelangt dann beispielsweise zur Schweissvorbehandlungs-Vorrichtung
94, wo Bindemittel aufgedruckt oder aufgesprüht wird. Das Druckmaterial wird anschliessend
gebündelt und weiter befördert. Gegebenenfalls kann eine Schweissvorbehandlung durch
Bindemitteleinschuss an den gebündelten Papierlagen vorgenommen werden. Anschliessend
gelangt das Druckgut in die Ultraschallschweiss-Vorrichtung 95, wo die Papierlagen
verbunden werden. Die gebundenen Produkte werden anschliessend, beispielsweise als
Schuppenstrom 93, von der Entnahme-Vorrichtung 96 entgegengenommen.