DE10034057B4 - Vorrichtung zum Bearbeiten einer Materialbahn mit Ultraschall - Google Patents

Vorrichtung zum Bearbeiten einer Materialbahn mit Ultraschall Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zum Bearbeiten einer kontinuierlich vorlaufenden Materialbahn (10),
mit einem Maschinengestell (1),
mit einer eine Sonotrode (7) aufweisenden Ultraschallerzeugungseinheit (6),
mit einem einer der Sonotrode (7) gegenüberliegenden, an dem Maschinengestell (1) abgestützten Gegenwerkzeug (8),
mit Mitteln zum Hindurchführen der Materialbahn (10) durch den Spalt (11) zwischen der Sonotrode (7) und dem Gegenwerkzeug (8)
und mit einem durch ein fluides Druckmedium betätigten Antrieb zum Anstellen der an dem Maschinengestell (1) verlagerbar geführten Sonotrode (7) gegen das Gegenwerkzeug,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Einrichtung (50, 50', 50'') zur Dämpfung von Schwingungen der Sonotrode (7) in Anstellrichtung vorgesehen ist, die einerseits mit der Sonotrode (7), andererseits mit dem Maschinengestell (1) verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung der dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechenden Art, die in der DE 195 26 354 A1 beschrieben ist.
  • Die Bearbeitung besteht beispielsweise in der Verfestigung eines aus thermoplastischen Fasern bestehenden Vlieses durch stellenweise Verschmelzung der Fasern. Die Sonotrode liegt dabei mit einer gewissen Kraft auf dem Vlies auf, um eine wirksame Einleitung der Ultraschallenergie in das Vlies zu gewährleisten. Auf der Rückseite stützt sich das Vlies auf dem beispielsweise als Gegenwalze ausgebildeten Gegenwerkzeug ab.
  • Um zu einem optimalen, über die Fläche der Materialbahn gleichbleibenden Bearbeitungseffekt zu kommen, bedarf es einer sehr genauen Einhaltung des Abstandes bzw. der Kraft zwischen der Sonotrode und dem Gegenwerkzeug bzw. der Hüllfläche des gegebenenfalls auf diesen angebrachten Reliefs.
  • Es ist üblich, Sonotroden über Pneumatikzylinder mit einer konstanten Kraft an das Gegenwerkzeug bzw. die dazwischen befindliche Materialbahn anzudrücken. Die Abstützung der Sonotrode ist hierbei allerdings nicht starr, sondern geschieht über ein Kraftpolster, welches wie eine Feder wirkt. In einem gewissen Umfang ist aber auch eine hydrauliche Andrückung nachgiebig.
  • Bedingt durch die Unregelmäßigkeiten der Vlieslage und gegebenenfalls auch durch das auf dem Gegenwerkzeug bzw. der Gegenwalze angebrachte Reliefmuster kann es dazu kommen, daß die Sonotrode in eine Schwingungsbewegung senkrecht zu dem Gegenwerkzeug gerät. Diese Schwingungsbewegung führt dazu, daß der Bearbeitungseffekt im Rhythmus der Schwingungsfrequenz unterschiedlich ist. Die Vliesbahn wird also auf ihrer Länge periodisch einmal weniger, das andere mal mehr verfestigt oder möglicherweise sogar durchtrennt.
  • Derartige Unregelmäßigkeiten sind natürlich äußerst unerwünscht.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art so auszugestalten, daß die Bearbeitungswirkung gleichmäßig ist.
  • Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 wiedergegebene Erfindung gelöst.
  • Die Dämpfungseinrichtung sorgt dafür, daß die durch die Bahn oder das Gegenwerkzeug angeregten Schwingungen so weit gedämpft werden, daß sie sich im Bearbeitungseffekt nicht mehr bemerkbar machen.
  • Eine Dämpfungseinrichtung, die dies leistet, ist in Anspruch 2 wiedergegeben. Die zwischen den Flächen der erwähnten Elemente befindliche Flüssigkeit wird bei einer Bewegung der Flächen gegeneinander stark geschert und übt ihre Dämpfungswir kung durch die interne Flüssigkeitsreibung aus. Es kommt z.B. eine Anordnung von einander parallelen und mit geringem Abstand gegenüberstehenden Platten ähnlich einem elektrischen Plattenkondensator in Betracht.
  • Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Dämpfungseinrichtung jedoch entsprechend Anspruch 3 durch eine Kolben/Zylindereinheit gebildet, wobei die Flüssigkeit sich zwischen dem Außenumfang des Kolbens und dem Innenumfang des Zylinders befindet.
  • Dämpfungseinrichtungen an sich sind in dem Buch "Gerätekonstruktion", herausgegeben von W. Krause, Dr. Alfred Hüthig Verlag, Heidelberg (1987), Seiten 326-328, behandelt. In dem Buch "Ölhydraulik" von G. Bauer Verlag B.G. Teubner, Stuttgart (1992), Seiten 150/151, insbesondere Bild 86, ist ein Spindelventil wiedergegeben, welches zur Vermeidung des Flatterns des Ventilkörpers einen Dämpfungskolben aufweist, bei welchem die Dämpfungswirkung allerdings in erster Linie durch einen Überströmvorgang durch einen verringerten Querschnitt zustandekommt.
  • Als Flüssigkeit kommt gemäß Anspruch 4 in erster Linie ein Öl in Betracht, dessen Viskosität geeignet gewählt wird.
  • Von der Viskosität hängt auch der Abstand zwischen den Flächen bzw. der radiale Abstand zwischen dem Außenumfang des Kolbens und dem Innenumfang des Zylinders ab. Dieser Abstand kann etwa im Bereich von 2 bis 50 mμ variieren (Anspruch 5), wobei die Auswahl im einzelnen von der Größe der Dämpfungseinrichtung, von der gewünschten Dämpfungswirkung und natürlich von der Viskosität des benutzten Öls abhängt.
  • Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ist Gegenstand des Anspruchs 6. Hierbei sind die Dämpfungseinrichtung und der Antrieb, mittels dessen die Sonotrode gegen das Gegenwerkzeug angestellt bzw. von diesem abgehoben wird, zu einer Baueinheit zusammengefaßt.
  • Dies kann beispielsweise in der in Anspruch 7 wiedergegebenen Weise durch eine doppelt wirkende Kolben/Zylindereinheit verwirklicht werden.
  • Bei einem Öl als fluidem Druckmittel kann der Kolben kolbenringfrei zylindrisch sein (Anspruch 8), wobei der Kolben in seinem Zylinder ein hinreichend geringes Spiel aufweist, um die Anstellbewegung unter Kraftausübung zu ermöglichen, aber gleichzeitig ein ausreichend großes Spiel, um die Flüssigkeitsdämpfung zur Wirkung zu bringen. Wenn jedoch für die Anstellbewegung Luft als fluides Druckmittel verwendet wird, so sollte gemäß Anspruch 9 der Kolben Kolbenringe aufweisen. Luft ist zur Erzielung einer ausreichend großen Dämpfungswirkung bei kleinen Schwingungsamplituden nicht geeignet. Deshalb ist in dem Raum zwischen den Kolbenringen eine Flüssigkeit als Dämpfungsmittel vorgesehen, die gemäß Anspruch 10 durch eine besondere Zuleitung dem Abstandsraum zugeführt werden kann.
    •
  • In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt.
  • 1 zeigt eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
  • 2 zeigt einen Schnitt nach der Linie II-II in 1;
  • 3 zeigt herausgezeichnet im Längsschnitt die erfindungsgemäße Dämpfungseinrichtung;
  • 4 zeigt eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • 5 und 6 zeigen schematisch zwei Möglichkeiten der Ausbildung eines gleichzeitig als Dämpfungseinrichtung wirkenden Antriebs.
  • Die in 1 als Ganzes mit 100 bezeichnete Vorrichtung umfaßt eine am Maschinengestell 1 feste vertikale Geradführung in Gestalt einer Schwalbenschwanzschiene 2, an der ein Schlitten 3 im Sinne des Pfeiles 5 verschiebbar gelagert ist.
  • An dem Schlitten 3 ist eine Ultraschallerzeugungseinheit 6 fest angeordnet, die auf eine Sonotrode 7 wirkt, die radial gegen eine Reliefwalze 8 gerichtet ist, die das Gegenwerkzeug bildet. Zwischen der Stirnseite 7' der Sonotrode 7 und dem Umfang 8' der Gegenwalze 8 wird unter Belassung einer Spalthöhe 9 eine Materialbahn 10 hindurchgeführt, die beispielsweise aus einem Vlies aus thermoplastischen Fasern bestehen kann. Durch die hochfrequenten Kompressionen, die das Material zwischen den Scheiteln des Reliefs der Gegenwalze 8 und der Stirnseite 7' der Sonotrode erfährt, kommt es zu lokalen Temperaturerhöhungen bis zur Erweichung der thermoplastischen Fasern. Wenn es nur um eine Verfestigung eines Vlieses geht, muß die Erwärmung so dosiert werden, daß gerade ein lokales Zusammenschmelzen der Fasern erfolgt, jedoch Durchbrüche in dem Material vermieden werden. Bei entsprechender Steuerung des Energieeintrags können solche Durchbrüche aber auch bewußt herbeigeführt werden, d.h. es kann nach dem Verfahren auch gelocht oder geschnitten werden. Der Energieeintrag, dem eine bestimmte Stelle der Materialbahn für die kurze Zeit des Passierens des Spalts 11 zwischen der Sonotrode 7 und der Gegenwalze 8 ausgesetzt ist, ist also für den Bearbeitungseffekt durchaus kritisch. Dieser Energieeintrag hängt von der in dem Spalt 11 herrschenden Kraft bzw. von der Spalthöhe 9 ab. Es ist plausibel, daß sich die Wirkungen der Ultraschallschwingungen um so stärker bemerkbar machen, je fester die Materialbahn in dem Spalt 11 zusammengedrückt wird.
  • Zwischen dem Maschinengestell 1 und dem Schlitten 3 ist ein als Ganzes mit 25 bezeichneter Antrieb in Gestalt einer pneumatischen Kolben/Zylindereinheit 12 mit Anschlüssen 13 und 14 vorgesehen, der seine Kraft auf den Schlitten 3 überträgt und die Anstellbewegung der Sonotrode 7 gegen die Gegenwalze 8 herbeifühhrt.
  • Die Steuerung des Antriebs 25 erfolgt so, daß die Kraft Fs in dem Spalt 11 möglichst konstant gehalten wird. Dadurch bleibt auch der Bearbeitungseffekt konstant, unabhängig davon, ob die Materialbahn 10 Dickenschwankungen aufweist, die Sonotrode 7 thermischen Dehnungen unterliegt oder die Walze 8 sich durchbiegt.
  • Durch das Reliefmuster auf der Walze 8 und auch durch die Unregelmäßigkeiten der Materialbahn 10 kann es jedoch dazu kommen, daß die Sonotrode 7 in Richtung des Pfeiles 5 zu Schwingungen angeregt wird, die zur Folge haben, daß die Sonotrode 7 auf der Walze 8 "hämmert", d.h. periodisch unterschiedliche Bearbeitungswirkungen erzeugt. Um diesen Effekt zu bekämpfen, ist eine Dämpfungseinrichtung 50 in Gestalt einer Kolben/Zylindereinheit vorgesehen, die sich parallel zu dem Pfeil 5, d.h. der Schwingungsrichtung der Sonotrode 7, erstreckt und mit einem Ende bei 23 an dem Schlitten 3 und mit dem anderen Ende bei 24 an dem Maschinengestell 1 angreift. Die gezeigte Anbringung der Dämpfungseinrichtung 50 ist nur beispielhaft zu verstehen und könnte auch anders erfolgen.
  • Der Aufbau der Dämpfungseinrichtung 50 geht im einzelnen aus 3 hervor. Sie umfaßt einen geschlossenen, d.h. keine Zuleitungen aufweisenden Zylinder 26 mit einem Innendurchmesser D und einen darin in Pfeilrichtung verschiebbaren Kolben 28 mit einem Außendurchmesser d und einer Außenumfangsfläche 37. Der Kolben 28 beläßt in dem Zylinder 26 ein Spiel bzw. einen radialen Abstand a, und es beträgt der Durchmesserunterschied D-d ca. 4 bis 100 μm. Der Kolben hat in Achsrichtung eine Erstreckung H, die kleiner ist als die Länge des Zylinders 26. In 3 ist der Kolben in seiner normalen Betriebsstellung wiedergegeben, wobei an beiden Stirnenden Spielraum in Gestalt von Zylinderkammern 30, 31 besteht. Der Zylinder 26 ist teilweise mit Öl gefüllt, wobei der Durchmesserunterschied D-d und die Viskosität des Öls aufeinander abgestimmt sind. Die Ölmenge ist so berechnet, daß in der normalen Betriebsstellung in beiden Zylinderkammern 30, 31 Öl steht. In dem Abstandsraum A zwischen den Außenumfang 37 des Kolbens 28 und dem Innenumfang 27 des Zylinders 26 befindet sich dann ein Ölfilm, der an den benachbarten Grenzflächen haftet und bei einer Bewegung des Kolbens 26 in den Zylinder 26 einer Scherbeanspruchung unterliegt. Die Scherbeanspruchung führt zu einer inneren Reibung der Ölschicht und damit zu einer Dämpfungswirkung, die die Schwingungsneigung der Sonotrode 7 vermindert. Damit die Dämpfungseinrichtung 50 den Anstellbewegungen folgen kann, ist in dem Kolben eine Axialbohrung 36 vorgesehen, die aber nicht als Drosselbohrung zu verstehen ist. Die Dämpfungswirkung soll ganz überwiegend durch die Scherung innerhalb der den Kolben 28 umgebenden Flüssigkeitsschicht hervorgerufen werden.
  • Soweit in den folgenden Figuren funktionell entsprechende Teile vorhanden sind, sind die Bezugszahlen gleich.
  • Die Vorrichtung 200 der 4 unterscheidet sich dadurch von der Vorrichtung 100 der 1, daß die Dämpfungseinrichtung 50' bzw. 50'' auch den Antrieb für die Anstellbewegung der Sonotrode 7 bildet und gleichzeitig die Funktion des in 1 mit 25 bezeichneten Antriebs übernimmt. Die Dämpfungseinrichtung 50' bzw. 50'' greift bei 23 an dem Schlitten 3 und bei 24 an dem Maschinengestell 1 an.
  • Die Dämpfungseinrichtung 50' umfaßt ähnlich wie die Dämpfungseinrichtung 50 einen geschlossenen doppelt wirkenden Zylinder, der jedoch in den Zylinderkammern 30', 31' außerhalb der beiden Enden des Kolbens 28' Zuleitungen 32, 33 für ein fluides Druckmittel aufweist. Durch Zufuhr von Druckmitteln durch die oberen Zuleitungen 32 kann der Kolben 28' nach unten verlagert werden. Die entsprechende Menge an Druckmittel wird dabei durch die untere Zuleitung 33 abgeführt.
  • In dem Ausführungsbeispiel der 5 ist als fluides Druckmittel Öl vorgesehen, welches sich als Film über die Umfangsfläche des Kolbens 28' verteilt und dort der dämpfenden Scherwirkung unterliegt. Der Kolben 28' ist als einfacher zylindrischer Kolben ohne Kolbenringe ausgebildet. Damit eine ununterbrochene Flüssigkeitsschicht am Umfang des Kolbens 28' vorliegt, muß die Differenz zwischen dem Innendurchmesser D des Zylinders 26' und dem Außendurchmesser d des Kolbens 28' eine gewisse Größe haben, damit metallische Reibung vermieden wird. Dies läßt sich mit der in 5 wiedergegebenen Konstruktion nur bei der Verwendung von viskosem Öl als fluidem Druckmittel realisieren. Andererseits ist der Abstand a zwischen dem Außenumfang 37' des Kolbens 28' und dem Innenumfang 27' des Zylinders 26' so gering, daß sich in den Zylinderkammern 31', 32' der für die Anstellung der Sonotrode 7 notwendige Druck aufbauen kann.
  • In der Ausführungsform nach 6 hingegen ist das fluide Druckmittel Luft. Diese würde wegen ihrer wesentlich geringeren Viskosität an dem Kolben 28' entlang übertreten, d.h. wirkungslos durchblasen, ohne die erforderliche Anstellkraft zustandebringen zu können. Aus diesem Grunde ist es bei der Verwendung von Luft als flui dem Druckmittel notwendig, an dem Kolben 28'' in der Nähe seiner beiden Enden Kolbenringe 35, 35 vorzusehen. Die angestrebte Dämpfung wird jedoch auch bei diesem Ausführungsbeispiel durch in dem Abstandsraum A zwischen dem Außenumfang 37'' des Kolbens 28'' und dem Innenumfang 27'' des Zylinders 26'' befindliches Öl geliefert. In den Bereich zwischen den Kolbenringen 35, 35 mündet eine Zuleitung 34, durch die das Öl zugeführt wird, so daß der dämpfende Ölfilm auf dem ganzen Umfang des Kolbens 28 zwischen den Kolbenringen 35, 35 aufrechterhalten bleibt. Die Bewegung der Sonotrode 7 bei der Anstellung wird also durch die Kraft erzeugt, die Dämpfung durch das Öl.

Claims (10)

  1. Vorrichtung zum Bearbeiten einer kontinuierlich vorlaufenden Materialbahn (10), mit einem Maschinengestell (1), mit einer eine Sonotrode (7) aufweisenden Ultraschallerzeugungseinheit (6), mit einem einer der Sonotrode (7) gegenüberliegenden, an dem Maschinengestell (1) abgestützten Gegenwerkzeug (8), mit Mitteln zum Hindurchführen der Materialbahn (10) durch den Spalt (11) zwischen der Sonotrode (7) und dem Gegenwerkzeug (8) und mit einem durch ein fluides Druckmedium betätigten Antrieb zum Anstellen der an dem Maschinengestell (1) verlagerbar geführten Sonotrode (7) gegen das Gegenwerkzeug, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (50, 50', 50'') zur Dämpfung von Schwingungen der Sonotrode (7) in Anstellrichtung vorgesehen ist, die einerseits mit der Sonotrode (7), andererseits mit dem Maschinengestell (1) verbunden ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungseinrichtung (50, 50', 50'') mindestens ein mit der Sonotrode (7) vorhandenes erstes Element und mindestens ein mit dem Maschinengestell (1) verbundenes zweites Element umfaßt, die sich an Flächen mit geringen Abstand (a) gegenüberstehen, wobei der Abstandsraum (A) mit einer Flüssigkeit ausgefüllt ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungseinrichtung (50, 50', 50'') als Kolben/Zylindereinheit ausgebildet ist, deren Kolben (28, 28', 28'') bzw. Zylinder (26, 26', 26'') die Elemente der Dämpfungseinrichtung bilden, und die Flüssigkeit in dem Abstandsraum (A) zwischen Kolbenumfang (37) und Innenumfang (27) des Zylinders (26, 26', 26'') vorhanden ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit ein Öl ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (a) 2 bis 50 μm beträgt.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungseinrichtung (50', 50'') und der Antrieb (25) zu einer Baueinheit zusammengefaßt sind.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Baueinheit eine doppeltwirkende Kolben/Zylindereinheit umfaßt, die an den beiden Enden mit Zuleitungen (32, 33) für ein die Anstellbewegung bewirkendes fluides Druckmittel versehen ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Öl als fluidem Druckmittel der Kolben (28) kolbenringfrei zylindrisch ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Luft als fluidem Druckmittel der Kolben (28'') mit Kolbenringen (35) versehen ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zylinder (26'') in dem Abstandsraum (A) zwischen dem Kolbenumfang (37'') und dem Innenumfang (27'') zwischen den Kolbenringen (35) mündende Zuleitung (34) für Öl vorgesehen ist.
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