DE102005038344A1

DE102005038344A1 - Vorrichtung zum Ultraschallbearbeiten von Werkstücken

Info

Publication number: DE102005038344A1
Application number: DE102005038344A
Authority: DE
Inventors: Peter Josef Martin; Ulrich Vogler
Original assignee: Tetra Laval Holdings and Finance SA
Current assignee: Tetra Laval Holdings and Finance SA
Priority date: 2005-08-13
Filing date: 2005-08-13
Publication date: 2007-02-15
Also published as: US7802604B2; WO2007020208A2; BRPI0614777A2; CN101242913A; WO2007020208A3; EP1915222A2; JP5167129B2; MX2008000883A; CN101242913B; RU2008108896A; RU2407652C2; US20100139867A1; JP2009504370A

Abstract

Beschrieben wird eine Sonotrode (1) zum Ultraschallbearbeiten von Werkstücken, wobei die Sonotrode (1) eingangsseitig mit einem Antrieb (5) mit mindestens zwei von einem Ultraschallgenerator angeregten Ultraschallschwingeinheiten verbunden ist, vorn an der Ausgangsseite der Sonotrode mit einer schmalen und langen Bearbeitungsfläche (12) und seitlich mit mindestens einem etwa zwischen zwei Ultraschallschwingeinheiten angeordneten Schlitz (10) versehen ist. DOLLAR A Damit man vorn an der Ausgangsseite der Sonotrode (1) eine derart schmale und lange Bearbeitungsfläche (12) erreicht, daß die Bearbeitungsfläche eine Länge von mehr als dem Zeifachen der effektiven Bearbeitungsfläche hat, so daß sie damit über das Quermaß auch eines breiteren Werkstücks hinwegreicht und die Höhe der Vorrichtung, gemessen von der vorderen Bearbeitungsfläche bis nach hinten über den Antrieb (5), nicht wesentlich größer als lambda/2 wird, DOLLAR A sieht die Erfindung vor, daß die Sonotrode (1) von ihrer Bearbeitungsfläche (12) nach hinten in Richtung ihrer Höhe (H) unter Belassung von Ausnehmungen (6) zur Aufnahme des jeweiligen Antriebs (5) einstückig bis zu ihrer hinteren, ebenen Fläche (13) ausgebildet ist, welche auf der der ausgangsseitigen Bearbeitungsfläche (12) gegenüberliegenden Eingangsseite der Sonotrode (1) etwa parallel zu der Bearbeitungsfläche (12) nahezu ebenso lang, aber breiter als letztere vorgesehen ist, und daß die Außenfläche der Sonotrode (1) bis auf den mindestens einen Schlitz (10) und bis ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einer Sonotrode zum Ultraschallbearbeiten von Werkstücken, wobei die Sonotrode eingangsseitig mit einem Antrieb mit mindestens zwei von einem Ultraschallgenerator angeregten Ultraschallschwingeinheiten verbunden ist, vorn an der Ausgangsseite der Sonotrode mit einer schmalen und langen Bearbeitungsfläche und seitlich mit mindestens einem, etwa zwischen zwei Ultraschallschwingeinheiten angeordneten Schlitz versehen ist. Unter Sonotrode wird der Körper ohne Ultraschallschwingeinheiten, aber mit Ausnehmungen für diese und mit dem Schlitz verstanden. Eingangsseitig, d.h. oben bzw. hinten je nach Anordnung der Sonotrode, ist dieser Körper durch eine hintere ebene Fläche gleicher oder etwas geringerer Länge als die der Bearbeitungsfläche abgeschlossen.

Es gibt verschiedene Ultraschallbearbeitungen, bei welchen die vorliegende Erfindung anwendbar ist, insbesondere Verschweißungen, Vernietungen und Einsenkungen. Namentlich beim Verschweißen oder Anschweißen von Kunststoffmaterialien hat man verschiedentlich versucht, Sonotroden mit möglichst langen und schmalen Ultraschallbearbeitungs- bzw. Verschweißflächen auszugestalten.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der DE 44 39 470 C1 bekannt, bei welcher die Sonotrode von zwei Ultraschallschwingeinheiten angetrieben wird, mit denen sie verbunden ist. Die zwei Ultraschallschwingeinheiten werden von einem Ultraschallgenerator angeregt. Die Länge der eingangs schon genannten Bearbeitungsfläche wird in einer ersten Richtung, X-Richtung genannt, d.h. der Länge des Sonotrodenkörpers, gemessen. Bei einer Sonotrode mit zwei Ultraschallschwingeinheiten beträgt diese Länge etwa das Zweifache derjenigen Länge der Bearbeitungsfläche, die von den beiden Ultraschallschwingeinheiten ausgangsseitig mit ausreichender Amplitude für eine gleichmäßige Bearbeitung, zum Beispiel Verschweißung, in Schwingungen versetzt werden kann. Bezeichnet man die Länge der Bearbeitungsfläche bei einer Ultraschallschwingeinheit mit „effektiver Bearbeitungslänge", dann ist diese bei der bekannten Sonotrode mit den zwei Ultraschallschwingeinheiten gleich das Zweifache der „effektiven Bearbeitungslänge". Die bekannte Sonotrode hat keine Ausnehmungen für die Ultraschallschwingeinheiten. Vielmehr sind die Ultraschallschwingeinheiten im bekannten Fall hinten auf die hintere ebene Fläche aufgesetzt. Dadurch ergibt sich in Y-Richtung, d.h. senkrecht zur Länge der Sonotrode gemessen, eine erhebliche Höhe, die oft den zur Verfügung stehenden Bauraum übersteigt.

Bei vielen Anwendungsfällen wird das Werkstück zwischen die Sonotrode und ein Gegenwerkzeug angeordnet, wobei die Verschweißung dadurch erfolgt, daß die Sonotrode in Schwingungen versetzt wird und beim Anpressen des Werkstückes die Schweißenergie überträgt. Häufig müssen längere Schweißnähte erzeugt werden, die nicht immer zufriedenstellend ausgefallen sind. Im mittleren Bereich einer Schweißfläche erzeugen bekannte Sonotroden bisweilen Überschweißungen und Brandflecke, während im Randbereich, an den Enden der Schweißflächen große Sonotroden nicht erregt werden können, so daß die Schweißnaht dort mangelhaft ist. Man hat daher Weiterbildungen ins Auge gefaßt, um auch große Bauteile verschweißen zu können. Anstelle der Aneinanderreihung von in sich schwingfähigen Sonotroden mit entsprechenden Antrieben hat man die Sonotrode bereits mit einer längeren Schweißfläche ausgestattet und durch die Verbindung mit zwei (oder mehreren) Ultraschallschwingeinheiten recht gute Schweißergebnisse erzielt. Durch den Anschluß der zwei Ultraschallschwingeinheiten an einen Ultraschallgenerator konnte man die Ultraschallschwingeinheiten mit der gleichen Frequenz schwingen lassen und die Sonotrode gleichmäßig anregen.

Während die bekannte Vorrichtung bei zahlreichen Anwendungsfällen zufriedenstellend arbeitet, mußte die Anwendung bei Verpackungsfüllmaschinen mit hohen Taktzeiten neu überdacht werden. Bei den Hochleistungsmaschinen der Verpackungsindustrie dürfen nämlich keine großen Ultraschallbearbeitungsvorrichtungen verwendet werden, weil nur geringer Bauraum zur Verfügung steht, insbesondere in der Höhe der Vorrichtung gesehen von ihrer vorderen Bearbeitungsfläche zum hinteren Ende des Antriebs hin. Damit gehen auch Forderungen nach geringen Massen einher, um die Ultraschallvorrichtungen gegebenenfalls leichter beschleunigen zu können. Die Bauhöhe der be kannten Vorrichtung zum Ultraschallbearbeiten beträgt jedoch in der Größenordnung eine Wellenlänge und kann ohne besondere Maßnahmen nicht kleiner gestaltet werden.

Zwar hat man schon in der EP 0 615 907 B1 Versiegelungsgeräte in Maschinen zum Füllen und Versiegeln von Verpackungen mit Reaktionskörpern beschrieben, mit denen über die Länge der Bearbeitungsfläche hinweg etwa gleichmäßige Versiegelungen erreicht werden. Die erreichte Länge der Bearbeitungsfläche reichte aber nicht aus, und man erkannte auch dort schon die Schwierigkeiten beim Zusammenschalten mehrerer Ultraschallversiegelungsgeräte mit den sich daraus ergebenden ungleichmäßigen Versiegelungen.

Weiterhin hat man entsprechend der Veröffentlichung in der WO 99/48 759 versucht, ein Ultraschallversiegelungsgerät mit einer längeren Sonotrode mit Schlitzen für eine Füllmaschine zum Querversiegeln eines gefüllten schlauchförmigen Verpackungsmaterials zu entwickeln. Die Höhe dieses Versiegelungsgeräts ist aber bei den heutigen Hochleistungsfüllmaschinen in der Verpackungsindustrie zu groß und daher nicht einsetzbar. Mit Nachteil müssen ferner die Antriebe durch ein Gehäuse gekapselt werden, wodurch außer der unakzeptablen Höhe eine zu große Masse entsteht.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die eingangs näher bezeichnete Vorrichtung so umzugestalten, daß eine derart schmale und lange Bearbeitungsfläche vorn an der Sonotrode erreichbar ist, daß die Bearbeitungsfläche eine Länge von mehr als dem Zweifachen der oben erwähnten effektiven Bearbeitungslänge hat, so daß sie damit über das Quermaß auch eines breiteren Werkstückes hinwegreicht, wobei an der Bearbeitungsfläche ein im wesentlichen gleichmäßiges Bearbeitungsergebnis erhalten wird und die Höhe der Vorrichtung, gemessen von der vorderen Bearbeitungsfläche bis nach hinten über den Antrieb, nicht wesentlich größer als λ/2 wird, der halben Wellenlänge der erzeugten Ultraschallschwingung.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der Erfindung dadurch, daß die Sonotrode von ihrer vorderen schmalen und länglichen Bearbeitungsfläche nach hinten in Richtung ihrer Höhe unter Belassung von Ausnehmungen zur Aufnahme des jeweiligen Antriebs einstückig bis zu ihrer hinteren, ebenen Fläche ausgebildet ist, welche auf der der ausgangsseitigen Bearbeitungsfläche gegenüberliegenden Eingangsseite der Sonotrode etwa parallel zu der Bearbeitungsfläche, nahezu ebenso lang, aber breiter als letztere vorgesehen ist, und daß die Außenfläche der Sonotrode bis auf den mindestens einen Schlitz und bis auf die in der hinteren, ebenen Fläche befindlichen Öffnungen für den Zugang zu den Ausnehmungen für die Antriebe geschlossen ist, wobei die Gesamthöhe der Sonotrode ≤ λ/2 ist mit λ = Wellenlänge der in Y-Richtung schwingenden Welle.

Der Ultraschallgenerator setzt eine Netzspannung in hochfrequente elektrische Energie um. Jede von diesem angeregte Ultraschallschwingeinheit weist einen Konverter, zum Beispiel ein piezoelektrisches Element, und ein Amplitudentransformationsstück bzw. einen Booster auf. Ausgangsseitig ist an diese Ultraschallschwingeinheit eine Sonotrode angesetzt. Die hochfrequente elektrische Energie wird von dem Konverter in mechanische Schwingungen umgewandelt. Je nach der Ausgestaltung des Boosters kann die Amplitude der in Y-Richtung schwingenden mechanischen Schwingung umgewandelt werden und wird dann der Sonotrode zugeleitet. Letztere leitet diese vibrierende Energie in die Schweißnaht, um die gewünschte Ultraschallbearbeitung des betreffenden Werkstückes zu bewirken.

Das Neuartige an der Erfindung ist die besondere Ausgestaltung der Sonotrode sowie ihre Ansteuerung. Wie eine bekannte Sonotrode hat auch die gemäß der Erfindung ausgangsseitig vorn eine schmale, längliche Bearbeitungsfläche und wird eingangsseitig nach hinten in Y-Richtung durch eine hintere Fläche abgeschlossen, die im Falle der Erfindung eben ist. Eine wichtige zusätzliche Maßgabe besteht in der einstückigen Ausbildung der Sonotrode von ihrer Bearbeitungsfläche vorn bis zu der genannten hinteren, ebenen Fläche. Für die Antriebe der Sonotrode weist letztere Ausnehmungen auf. Hierbei handelt es sich um Hohlräume in der einstückig ausgebildeten Sonotrode. In jede Ausnehmung kann der Antrieb eingelassen und in dieser befestigt werden, beispielsweise durch einen Schraubbolzen.

Die erwähnte hintere, ebene Fläche verläuft etwa parallel zu der vorderen Bearbeitungsfläche und ist nahezu ebenso lang. Die hintere, ebene Fläche auf der Seite des Energieeinganges der Sonotrode befindet sich auf der der ausgangsseitigen Bearbeitungsfläche gegenüberliegenden Seite des Sonotrodenkörpers.

Wenn entsprechend der Fortsetzung der erfindungsgemäßen Lehre die Außenfläche der Sonotrode im wesentlichen geschlossen ist, ergibt sich ein kompakter, gut zu befestigender und einfacher zu reinigender Sonotrodenkörper. Die Außenfläche der Sonotrode ist nicht 100% geschlossen. Zum einen ist bereits auf den auch bei bekannten Sonotroden verwendeten Schlitz hingewiesen worden, welcher die Sonotrode von einer Seite zur anderen vollständig durchgreifen kann. Auch dieser Schlitz kann unterschiedliche Ausgestaltungen haben, zum Beispiel unterbrochen sein oder aus mehreren Teilschlitzen bestehen. In jedem Fall ist die Außenfläche im Bereich des mindestens einen Schlitzes unterbrochen. Zusätzlich ist die Außenfläche auch durch die erwähnten Öffnungen unterbrochen, also auch im Bereich der Öffnungen nicht geschlossen. Dennoch ist es neu, daß bis auf den Schlitz und die Öffnungen die Außenfläche vollständig geschlossen ist.

Die Öffnungen können unterschiedliche Gestalt haben und dienen dem Zugang zu den Ausnehmungen, um zum Beispiel die Antriebe in die Ausnehmungen einlassen zu können. Bei bevorzugten Ausführungsformen wird der jeweilige Antrieb bis auf die besagte Öffnung von der Außenfläche der Sonotrode vollständig umfaßt.

Diese Ausgestaltung der Sonotrode mit der einstückigen Ausbildung einerseits und der geschlossenen Außenfläche derselben andererseits hat den großen Vorteil zur Folge, daß für die Sonotrode mit ihren Antrieben nicht ein extra Gehäuse notwendig ist. Dadurch wiederum ergeben sich die Vorteile, daß der Gesamtaufbau in Y-Richtung, d.h. in Richtung senkrecht zu der beispielsweise eben anzunehmenden Bearbeitungsfläche, weniger hoch ist, so daß sich eine kleinere Masse ergibt und das gesamte Werkzeug auch preiswerter hergestellt werden kann, denn es ist nur ein Präzisionsteil zu erstellen, die Sonotrode selbst; nicht etwa zusätzlich noch ein Gehäuse, welches bei bekannten Einrichtungen vergleichbarer Art ebenfalls ein Präzisionsteil wäre.

Deshalb kann gemäß dem weiteren Merkmal der Erfindung die Gesamthöhe der Sonotrode kleiner oder gleich λ/2 sein, wenn man mit λ die Wellenlänge der in Y-Richtung oszillierenden, d.h. in Richtung der Sonotrodenhöhe oszillierenden Schwingung bezeichnet.

Setzt man diese neue Vorrichtung beim Verschweißen von Kunststoff aufweisenden Werkstücken ein, zum Beispiel in der Verpackungsindustrie, dann gelingt es erfindungsgemäß, daß auch aus einem Schlauch aus Verpackungsmaterial hergestellte Verpackungen in einer Füllmaschine querversiegelt werden können. Mit anderen Worten reicht die schmale und lange Bearbeitungsfläche der neuen Sonotrode über das Quermaß des Verpackungsschlauches hinweg. Man kann bei der Beachtung der erfindungsgemäßen Merkmale eine über die Länge der Bearbeitungsfläche hinweg im wesentlichen gleichmäßige Schwingungsamplitude erhalten. Mit weiterem Vorteil ist es möglich, die Vorrichtung so klein zu halten und mit geringer Masse zu versehen, daß ein Einbau in eine Hochleistungsfüllmaschine ohne weiteres möglich wird.

Bei Maschinen zum Verpackung flüssiger Lebensmittel, wie zum Beispiel Milch oder Fruchtsäften, ist es wichtig und erfindungsgemäß mit Vorteil erreichbar, daß die gesamte Sonotrode ohne Beschädigung der Antriebe gut und einfach gereinigt werden kann. Die hygienische Ausgestaltung von Maschinenteilen ist für den Nutzer einer solchen Maschine von großem Wert.

Man kann die erfindungsgemäße Vorrichtung mit zwei Antrieben aufbauen und erhält dann über die gesamte Bearbeitungslänge ausgangsseitig die gleiche Schweißleitung mit der Folge, daß die mit dieser Vorrichtung erstellte Schweißnaht eine hohe Qualität hat. Sonotroden mit nur zwei Antrieben werden gern für aus einem Schlauch aus Verpackungsmaterial hergestellte Verpackungen auf Papierbasis verwendet, wenn das Verpackungsvolumen zum Beispiel kleiner als 0,75 Liter sein soll. Der mechanische Aufbau einer solchen Sonotrode ist besonders steif und stabil, und es können große Kräfte ohne Nachteile eingeleitet werden. Auch dies ist ein Vorteil der geschlossenen äußeren Wandung der neuen Sonotrode, denn die Last wird in die Sonotrode eingeleitet. Bei bekannten, herkömmlichen Maschinen wird die eingeleitete Kraft nicht vom Gehäuse, sondern auch immer von der Sonotrode aufgenommen.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann aber auch mit einer Sonotrode mit drei Antrieben ausgestattet sein. Es können dann Verpackungen der vorstehend genannten Art mit einem Volumen von 0,75 Liter, von 1 Liter und auch von 1,5 Liter hergestellt werden.

Erfindungsgemäß ist es dabei von Vorteil, daß auch Sonotroden mit drei oder mehr Antrieben immer von nur einem Ultraschallgenerator angeregt werden. Eine Sonotrode mit drei Antrieben hat außerdem den Vorteil, daß auf das Gegenwerkzeug, also den Amboß, stets eine symmetrische Last aufgebracht werden kann, so daß ein seitliches Wegkippen des Werkzeuges vermieden wird. Außerdem ist die Schweißnaht über die gesamte Bearbeitungslänge gleichmäßig, denn der einzige verwendete Ultraschallgenerator erzeugt eine einzige Frequenz und damit über die Bearbeitungsbreite und -länge gleichmäßige Qualität der Bearbeitung.

Die Erfindung ist weiter durch die Merkmale vorteilhaft ausgestaltet, daß die Ausnehmung zur Aufnahme des Antriebes in der hinteren ebenen Fläche eine kreisrunde Öffnung hat mit einer sich in Y-Richtung, d.h. in Richtung senkrecht auf die hintere ebene Fläche, erstreckenden Ringfläche und daß zum Abdichten ein Deckel mit mindestens einem zu der kreisrunden Öffnung passenden kreisrunden Vorsprung einsteckbar ist, wobei der Vorsprung ebenfalls eine sich in Y-Richtung, d.h. in Richtung senkrecht auf die hintere ebene Fläche der Sonotrode, erstreckende Einsteckringfläche hat, auf die ein O-Ring aufziehbar ist. Zwar gibt es viele Anwendungsfälle, bei welchen die Vorrichtung gemäß der Erfindung unter Reinraumbedingungen arbeitet oder wenigstens ohne Flüssigkeitseinfluß. Bei anderen Anwendungsfällen muß die Sonotrode aber in einem Naßraum arbeiten, so daß man den Hochspannungsteil des Antriebes gegen Feuchtigkeitseinflüsse abdichten muß. Für diese Zwecke eignen sich gut die vorstehend beschriebenen Merkmale mit dem Deckel, der von hinten auf die Sonotrode aufsetzbar ist und die Ausnehmungen gegenüber dem Naßraum gut abzudichten gestattet. Auch wenn die Ausnehmung, die sich innerhalb des Sonotrodenkörpers befindet, im Querschnitt vieleckig ist, um den Antrieb praktisch und vollständig aufzunehmen, ist es doch aber vorteilhaft, die Öffnung in der hinteren ebenen Fläche der Sonotrode kreisrund auszubilden, weil dann die Mittel zum Abdichten der Ausnehmung gegenüber dem Raum außerhalb des Sonotrodenkörpers einfach ausgebildet sein können. So ist es zweckmäßig, wenn die kreisrunde Öffnung am eingangsseitigen Ende der Ausnehmung eine Ringfläche hat, weil diese über einen O-Ring gut abdichtbar ist und auch gut und präzise hergestellt werden kann. Die Ringfläche erstreckt sich mit Vorteil senkrecht zu der hinteren ebenen Fläche, d.h. in der vorstehend definierten Y-Richtung. Wenn der Deckel bei einer bevorzugten Ausführungsform außerdem mit einem kreisrunden Vorsprung pro Ausnehmung (d.h. zum Beispiel drei Vorsprüngen für drei Ausnehmungen) versehen ist, dann kann man diesen zu der kreisrunden Öffnung passenden Vorsprung in die Öffnung einstecken derart, daß der erwähnten Ringfläche eine Einsteckringfläche gegenüberliegt. Auf letztere kann man einen O-Ring aufziehen, so daß dieser für eine sichere Abdichtung zwischen den beiden Ringflächen zu liegen kommt. Sowohl Herstellung als auch Montage sind praktisch und leicht bei einer bevorzugten Ausführungsform mit drei Ausnehmungen und folglich einem Deckel mit drei Vorsprüngen möglich.

Es ist bei weiterer vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen, daß bei der Erfindung die Anzahl N der an die Sonotrode angekoppelten Antriebe gleich N + 1 ist mit N = eine gerade Zahl. Die sich hieraus ergebende Lehre besteht darin, daß man die Antriebe immer symmetrisch zu einer gedachten Mittelhöhenachse ansetzen kann, daß folglich die Krafteinleitung immer symmetrisch erfolgt und es auch beim Anwenden hoher Kräfte kein Kippen der Bearbeitungsfläche auf dem Werkstück oder dem Gegenamboß gibt. Es ist zweckmäßig, den Deckel aus Aluminium oder Edelstahl zu fertigen.

Gemäß der Erfindung ist es weiterhin günstig, wenn die Sonotrode in X-Richtung nebeneinander in einer Reihe in gleichem Abstand (D) voneinander drei Antriebe enthält, die von nur einem Ultraschallgenerator angeregt sind, daß die effektive Bearbeitungslänge B ≥ 158 mm beträgt und daß die Höhe H der Sonotrode in Y-Richtung etwa gleich der Schlitzlänge I + 10 mm ist. Diese spezielle und bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bietet dem Benutzer eine allseitig geschlossene Sonotrode, sofern man von den oben beschriebenen Ausnahmen mit den Schlitzen und den Ausnehmungen bzw. den kreisrunden Öffnungen zu diesen absieht. Ein Gehäuse ist nicht notwendig, und doch besteht die Sonotrode aus einem kompakten integralen Körper, welcher die Antriebe der Sonotrode nahezu vollständig umschließt. Die mit den zuletzt erwähnten Merkmalen beschriebene Vorrichtung gemäß der Erfindung ergibt sich aus einer speziellen Spezifikation einer besonders günstigen Ausführungsform und zeigt mit den hier beschriebenen Maßnahmen qualitativ hochwertige Bearbeitungsergebnisse. Die effektive Bearbeitungslänge B ist sozusagen auch die effektive Schweißlänge, wenn die Bearbeitung der Sonotrode das Schweißen ist. Die Höhe H der Sonotrode in Y-Richtung, d.h. senkrecht auf die hintere ebene Fläche der Sonotrode gesehen, ist nur etwa 10 mm größer als die Länge I des jeweiligen Schlitzes. Der Schlitz ist im wesentlichen für die Unterbrechung der transversalen Schwingungen verantwortlich (im Gegensatz zu den in Y-Richtung schwingenden) longitudinalen Schwingungen.

Ein besonders günstiger Vorteil ergibt sich durch die weitere Ausgestaltung der Erfindung mit dem Merkmal, daß der ausgangsseitige Endbereich der Sonotrode unter Bildung von je einem Fuß an jeder Stirnseite der Sonotrode um eine Erstreckung C jeweils < 7 mm verlängert ist. Man hat gefunden, daß eine Erstreckung eines Fußes in X-Richtung von mehr als 7 mm nicht effektiv ist, daß andererseits aber der Fuß mit Vorteil kritische Bereiche der Bearbeitungsfläche aufnehmen kann, so daß die effektive Bearbeitung auch bei abfallender Amplitude in den äußersten Längsbereichen aufgefangen werden kann. Der jeweilige Fuß schiebt sozusagen den Amplitudenabfall im äußersten Endbereich nach außen. Bei den oben beschriebenen Verpackungsmaschinen läuft insbesondere bei Hochleistungsmaschinen der Papiertubus mit recht großer Geschwindigkeit über die Bearbeitungsfläche und den Amboß und kann bei diesem Betrieb um einige Millimeter seitlich wandern. Die Füße an den äußeren Endbereichen können dann dafür sorgen, daß zum Beispiel eine durchgehende Schweißnaht tatsächlich auch in den Endbereichen mit hoher Qualität erzeugt werden kann.

Die Erfindung ist weiter mit Vorteil dadurch ausgestaltet, daß der Abstand J des hinteren, oberen Endes des Schlitzes von der hinteren ebenen Fläche < als 20 mm beträgt und vorzugsweise im Bereich von 3 mm bis 8 mm liegt. Dieser Abstand, welcher den Schlitzanfang an der Eingangsseite der Sonotrode bestimmt, beeinflußt die Kippschwingung an den Piezopaketen wesentlich.

Wenn bei weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Schlitzlänge I im Bereich zwischen 0,6 × H und 0,9 × H liegt, dann erkennt man, daß diese Länge einen wesentlichen Anteil der Schwingungshöhe betragen muß. Bei Berücksichtigung dieser Verhältnisse können die Schlitze, wie oben bereits erwähnt wurde, sogar unterbrochen sein.

Die Kippschwingung und auch die Amplitudenverteilung werden wesentlich von dem Abstand G der Schlitze voneinander in X-Richtung beeinflußt, der etwa 1/3 der Länge A der Sonotrode an der Eingangsseite ist. Ein sinnvoller Bereich für den Schlitzabstand ist bei der hier beschriebenen besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 5 mm bis 30 mm.

Eine ähnliche Beeinflussung der Kippschwingung und auch der Amplitudenverteilung ergibt sich durch den Mittenabstand D der Antriebe voneinander in X-Richtung, der etwa 1/3 der Länge A der Sonotrode an der Eingangsseite ist.

Bezeichnet man mit L die Positionierungstiefe der Antriebe in dem Sonotrodenkörper und legt man diese Tiefe L des jeweiligen Antriebes in den Bereich zwischen H/3 und H/2, dann kann man mehrere Parameter günstig beeinflussen, zum Beispiel die Kippschwingung der Piezopakete, die Transformation der gesamten Sonotrode und die Amplitudenverteilung. Ein optimaler Wert für die Positionierungstiefe L beträgt etwa H/2,5.

Weiterhin kann man mit der Höhe M der Reflektorscheibe im Antrieb, wenn man diese in den Bereich zwischen 10 mm und 22 mm legt, Einfluß auf die Amplitudentransformation vornehmen. Wird zum Beispiel diese Höhe vergrößert, dann erhöht sich die Amplitudentransformation. Besonders günstig ist dieser wesentliche Einfluß, wenn man die Höhe der Reflektorscheibe im Piezopaket zu 16 mm ausbildet.

Andere vorteilhafte Ausgestaltungen und Merkmale der Erfindung bei besonders günstigen Ausführungsformen ergeben sich aus weiteren Unteransprüchen, wobei anzumerken ist, daß sowohl der Übergangsradius R von der Breitenkante der Sonotrode zum ausgangsseitigen Ende hin als auch die Höhe P des breiten hinteren Abschnittes der Sonotrode von der Seitenkante der hinteren ebenen Fläche bis nach vorn zum Anfangspunkt des Übergangsradius R die Frequenz und Transformation beeinflussen. Hinsichtlich des Übergangsradius hat man bei speziellen Versuchen festgestellt, daß ein optimaler Wert für den Übergangsradius etwa 25 mm ist.

Bei der hier beschriebenen besonderen Ausführungsform, die auch nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben wird, kann man von einer Breite der Sonotrode an der Ausgangsseite, d.h. von einer effektiven Schweißbreite von etwa 9 mm sprechen. Je nach dem Bearbeitungsvorgang, ob man Schweißen, Schneiden oder Vernieten will, kann die Bearbeitungsfläche aber auch anders als eben ausgestaltet sein, nämlich im Querschnitt zum Beispiel nach außen gewölbt konvex rund oder nach innen gewölbt konkav rund oder spitz und dergleichen. Will man die Sonotrode nur zum Schneiden verwenden, dann gestaltet man die Breite der Bearbeitungsfläche zum Beispiel 0,1 mm groß.

Die Breite der Sonotrode an der Ausgangsseite ist für das Übersetzungsverhältnis der Breite E an der Eingangsseite zur Breite F an der Ausgangsseite wichtig. In dem speziellen beschriebenen Fall der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann beispielsweise die Breite E der Sonotrode an der Eingangsseite 35 mm betragen. Sinnvolle Ergebnisse zeigen sich aber auch schon, wenn E im Bereich zwischen 20 mm und 80 mm liegt.

Das genannte Verhältnis E/F wird durch die Amplitude entschieden, die für die Bearbeitung, zum Beispiel für das Schweißen, benötigt wird. Man hat festgestellt, daß für Polyethylen die Amplitude zum Beispiel mindestens 20 μ sein sollte.

Bei einer anderen Ausführungsform ist erfindungsgemäß eine Sonotrode aus Titan vorgesehen. Erfolgreiche Versuche wurden auch mit einer Sonotrode gemacht, bei welcher die Ausnehmung zur Aufnahme des jeweiligen Antriebes Isoliermaterial aufweist, vorzugsweise eine Isolierbeschichtung oder eine Isoliereinlage enthält, weil dadurch das Piezoelement geschützt werden konnte und Überschläge vermeidbar waren. Gerade wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung in nassem Umfeld arbeiten muß, hatte man früher beim Stand der Technik außen ein Gehäuse vorgesehen. Erfindungsgemäß kann dies durch die einstückig ausgestaltete Sonotrode mit den umschlossenen Antrieben und dem Deckel im hinteren Bereich vermieden werden. Während bei trockenem Umfeld ein Gitter ausreichen würde, wird in vielen Anwendungsfällen von Verpackungsmaschinen mit nassem Umfeld das Piezopaket abgekapselt, insbesondere durch den oben beschriebenen Deckel dicht verschlossen. Dann kann man mit Vorteil auf der Innenseite des Deckels sogar eine Platine vorsehen, die zur Vereinfachung der Montage auf die Sonotrode aufgesetzt wird. Die Kabelführung erfolgt über die Platine. Mit Vorteil ergibt sich dadurch ein kleineres Volumen, weil insbesondere Entladewiderstände auf die Platine gesetzt werden können. Die Kabel verkürzen sich, und es steht mehr Kühlraum zur Verfügung.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen. Es zeigen:
1 perspektivisch eine Ansicht einer gekapselten Ausführungsform einer Sonotrode mit drei Antrieben,
2 eine Stirnansicht der Sonotrode, wenn man in 1 von unten nach oben blickt,
3 eine Draufsicht auf die mit dem Deckel gekapselte Sonotrode der 1, wobei der Deckel zur Darstellung der Antriebe teilweise abgebrochen ist,
4 eine Querschnittsansicht der Sonotrode der 1 bis 3, wobei die sich in X-Richtung erstreckende Längsachse der Sonotrode in der Schnittebene liegt,
5 eine Querschnittsansicht entlang der Linie V-V der 3,
6 eine gegenüber 4 vergrößerte Darstellung einer anderen Ausführungsform einer Sonotrode ohne Deckel und mit Füßen und
7 eine Querschnittsansicht der Sonotrode der 6 entlang der Linie B-B.
Die in den 1 bis 5 dargestellte erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt die allgemein mit 1 bezeichnete Sonotrode, die rückseitig im Bereich der hinteren Eingangsseite der Sonotrode 1 mit einem Deckel 2 gekapselt ist. Letzterer entfällt bei der Darstellung nach den 6 und 7 mit der Ausführungsform mit den Füßen 3. Während der Ultraschallgenerator nicht dargestellt ist, sondern stattdessen nur das seitlich (in Z-Richtung) angesetzte Kabelzuführgehäuse 4, erkennt man aus den Schnittansichten der 3 bis 7 den allgemein mit 5 bezeichneten Antrieb der Sonotrode 1. Jeder der drei Antriebe 5 befindet sich in einer Ausnehmung 6, die bei der hier speziell gezeigten Ausführungsform im Querschnitt kreisförmig ist.
Die hier gezeigten Ausführungsformen der Sonotrode 1 zeigen drei Antriebe 5, die alle von einem einzigen, nicht dargestellten Ultraschallgenerator angeregt werden. Unter anderem weist die Ultraschallschwingeinheit des Antriebes 5 jeweils ein Piezoelement 7 mit seiner jeweiligen Reflektorscheibe 8 auf. Diese Antrieb 5 wird über einen Befestigungsbolzen 9 fest in der Ausnehmung 6 der Sonotrode 1 angebracht.
Zwischen zwei Ultraschallschwingeinheiten bzw. Antrieben 5 befindet sich ein quer durch die Sonotrode 1 vollständig hindurchgehender Schlitz 10, so daß bei den drei Antrieben 5 folglich zwei Schlit ze 10 vorgesehen sind. S-förmige Haken 11 für eine starre Befestigung der Sonotrode 1 an einem Maschinenrahmen, der hier nicht gezeigt ist, befinden sich auf den Seitenflächen der Sonotrode 1, wie man am besten aus den Schnittdarstellungen der 5 und 7 erkennt. Damit eine solche Befestigung einwandfrei starr vorgenommen werden kann, sind diese Haken 11 an der Sonotrode außen angeschweißt oder auch alternativ einstückig mit dem Sonotrodenkörper geformt.
An der Ausgangsseite der Sonotrode 1, die in der Y-Richtung gesehen unten liegt, ist die Sonotrode mit einer schmalen und langen Bearbeitungsfläche 12 versehen. Eingangsseitig, d.h. oben in Y-Richtung und hinten je nach der Anordnung der Sonotrode, wird ihr Körper durch eine hintere ebene Fläche 13 abgeschlossen, die, in X-Richtung gesehen, etwa die gleiche Länge wie die Bearbeitungsfläche 12 hat. In 6 ist diese Länge der hinteren ebenen Fläche 13 mit A und die der Bearbeitungsfläche 12 mit B bezeichnet, denn letztere ist um die jeweilige Erstreckung des Fußes in X-Richtung (in Längsrichtung der Sonotrode 1) zu der Länge A hinzuzufügen.
Der gesamte Körper der Sonotrode 1 hat die in 6 angegebene Höhe H, während mit I die Länge der Schlitze 10 und mit J der Abstand des hinteren oberen Endes des Schlitzes 10 von der hinteren ebenen Fläche 13 bezeichnet ist.
Weitere Bezeichnungen von Längen, Breiten usw. sind in der anliegenden Bezugszeichenliste vermerkt.
Insbesondere aus 3 erkennt man, daß in der hinteren ebenen Fläche kreisrunde Öffnungen 14 für den Zugang zu den Ausnehmungen 6 für die Antriebe 5 vorgesehen sind. Jede Ausnehmung 6 hat neben der kreisrunden Öffnung 14 eine sich senkrecht auf die hintere ebene Fläche 13, d.h. sich in Y-Richtung erstreckende, Ringfläche 15, um eine Abdichtung vorzusehen, welche durch den Deckel 2 vorgenommen wird. Diese Ringfläche 15 erstreckt sich um die Öffnung 14 herum.
Wenn die Sonotrode gemäß den 1 bis 5 in einem Naßraum arbeiten soll, müssen die Hochspannungsteile, d.h. der Antrieb 5 der Sonotrode 1, nach außen hin abgedichtet werden, zumal der jeweilige Antrieb 5 bis auf die Öffnung 14 oben, hinten in der Ausnehmung 6 der Sonotrode 1 versenkt und somit ganz von dem Sonotrodenkörper umfaßt ist.
Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist einerseits an dem Deckel 2 zur Seite hin in Z-Richtung (1) ein winkelförmiges Kabelzuführgehäuse 4 angesetzt, und nach unten innen weist der Deckel 2, der sich über alle drei Antriebe 5 erstreckt, kreisrunde Vorsprünge 16 auf. Der Durchmesser des jeweiligen Vorsprungs 16 paßt zu der kreisrunden Öffnung 14 der Ausnehmung 6 und kann in diese Öffnung eingesteckt werden, wobei dann die sogenannte Einsteckringfläche 17 am Vorsprung 16 parallel zu der vorstehend genannten Ringfläche 15 liegt. Zwischen diesen beiden Ringflächen 15, 17 kann ein in den Zeichnungen hier nicht gezeigter O-Ring aufgezogen werden. Dadurch ist eine präzise Abdichtung des Hochspannungsteils des Antriebs 5 gegenüber dem äußeren Naßraum erreicht.
Die mit den Antrieben 5 gefüllte Sonotrode 1 hat zwei hier nicht näher bezeichnete Seitenflächen und senkrecht dazu entsprechend zwei Stirnseiten, deren vordere linke in den 1 und 2 mit 18 bezeichnet ist. Zum Abdichten kann man den Deckel 2 in Kastenform ausgestalten und am Maschinengestell so befestigen, daß die Sonotrode 1 in Y-Richtung von unten in den kastenförmigen Deckel eingeschoben und dort festgeschraubt werden kann. Dann ergibt sich die Form, wie sie in den 1 bis 3 dargestellt ist.
In den Zeichnungen erkennt man, daß der Übergangsradius R bei dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 kleiner ist als bei den Ausführungsformen der 5 bis 7. Dabei ist dieser Übergangsradius R von der Breitenkante 19 bis zum ausgangsseitigen Ende an der Bearbeitungsfläche 12 gemessen.

1: Sonotrode
2: Deckel der Sonotrode
3: Fuß
4: Kabelzuführgehäuse
5: Antrieb der Sonotrode
6: Ausnehmung
7: Piezoelement
8: Reflektorscheibe
9: Befestigungsbolzen
10: Schlitz
11: S-förmiger Haken
12: Bearbeitungsfläche
13: hintere ebene Fläche
14: Öffnung
15: Ringfläche um die Öffnung 14
16: Vorsprung auf der Innenseite des Deckels 2
17: Einsteckringfläche
18: Stirnseite
19: Breitenkante
20: Seitenkante
A: Länge der Sonotrode an der Eingangsseite
B: Länge der Sonotrode an der Ausgangsseite
C: Länge/Erstreckung des Fußes in X-Richtung
D: Mittenabstand der Piezoelemente
E: Breite der Sonotrode 1 an der Eingangsseite
F: Breite der Bearbeitungsfläche an der Ausgangsseite
G: Abstand der Schlitze voneinander
H: Höhe der Sonotrode
I: Länge des Schlitzes 11
J: Abstand des hinteren, oberen Endes des Schlitzes von der hinteren ebenen Fläche 14
K: Breite des Schlitzes
L: Positionierungstiefe des jeweiligen Antriebes 5
M: Höhe der Reflektorscheibe 8 im Piezoelement
R: Übergangsradius von der Breitenkante 19 zum ausgangsseitigen Ende an der Bearbeitungsfläche
P: Höhe des breiten hinteren Abschnittes der Sonotrode 1 von der Seitenkante 20 der hinteren ebenen Fläche 13 bis nach vorn zur Breitenkante 19

Claims

Vorrichtung mit einer Sonotrode (1) zum Ultraschallbearbeiten von Werkstücken, wobei die Sonotrode (1) eingangsseitig mit einem Antrieb (5) mit mindestens zwei von einem Ultraschallgenerator angeregten Ultraschallschwingeinheiten verbunden ist, vorn an der Ausgangsseite der Sonotrode mit einer schmalen und langen Bearbeitungsfläche (12) und seitlich mit mindestens einem etwa zwischen zwei Ultraschallschwingeinheiten angeordnetem Schlitz (10) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode (1) von ihrer Bearbeitungsfläche (12) nach hinten in Richtung (Y) ihrer Höhe (H) unter Belassung von Ausnehmungen (6) zur Aufnahme des jeweiligen Antriebes (5) einstückig bis zu ihrer hinteren, ebenen Fläche (13) ausgebildet ist, welche auf der der ausgangsseitigen Bearbeitungsfläche (12) gegenüberliegenden Eingangsseite der Sonotrode (1) etwa parallel zu der Bearbeitungsfläche (12), nahezu ebenso lang, aber breiter als letztere vorgesehen ist, und daß die Außenfläche der Sonotrode (1) bis auf den mindestens einen Schlitz (10) und bis auf die in der hinteren, ebenen Fläche (13) befindlichen Öffnungen (14) für den Zugang zu den Ausnehmungen (6) für die Antriebe (5) geschlossen ist, wobei die Gesamthöhe der Sonotrode ≤ λ/2 ist mit λ = Wellenlänge der in Y-Richtung schwingenden Welle.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (6) zur Aufnahme des Antriebes (5) in der hinteren ebenen Fläche (13) eine kreisrunde Öffnung (14) hat mit einer sich in Y-Richtung, d.h. in Richtung senkrecht auf die hintere ebene Fläche (13), erstreckenden Ringfläche (15) und daß zum Abdichten ein Deckel (2) mit mindestens einem zu der kreisrunden Öffnungen (14) passenden kreisrunden Vorsprung (16) einsteckbar ist, wobei der Vorsprung (16) ebenfalls eine sich in Y-Richtung, d.h. in Richtung senkrecht auf die hintere ebene Fläche (13) der Sonotrode (1), erstreckende Einsteckringfläche (17) hat, auf die ein O-Ring aufziehbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl N der an die Sonotrode (1) angekoppelten Antriebe (5) gleich N + 1 ist mit N = eine gerade Zahl.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode (1) in X-Richtung nebeneinander in einer Reihe in gleichem Abstand (D) voneinander drei (N = 3) Antriebe (5) enthält, die von nur einem Ultraschallgenerator angeregt sind, daß die effektive Bearbeitungslänge (B) ≥ 158 mm beträgt und daß die Höhe (H) der Sonotrode (1) in Y-Richtung etwa gleich die Schlitzlänge (1) plus 10 mm ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der ausgangsseitige Endbereich der Sonotrode (1) unter Bildung von je einem Fuß (3) an jeder Stirnseite (18) der Sonotrode (1) um eine Erstreckung (C) jeweils < 7 mm verlängert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (J) des hinteren, oberen Endes des Schlitzes (10) von der hinteren ebenen Fläche (13) < 20 mm beträgt und vorzugsweise im Bereich von 3 bis 8 mm liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzlänge (1) im Bereich zwischen 0,6 × (H) und 0,9 × (H) liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (G) der Schlitze (10) voneinander in X-Richtung etwa 1/3 der Länge (A) der Sonotrode (1) an der Eingangsseite ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittenabstand (D) der Antriebe (5) voneinander in X-Richtung etwa 1/3 der Länge (A) der Sonotrode (1) an der Eingangsseite ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionierungstiefe (L) der Antriebe (5) voneinander in X-Richtung im Bereich zwischen H/3 und H/2 liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (M) der Reflektorscheibe (8) im Antrieb (5) im Bereich zwischen 10 mm und 22 mm liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzbreite (K) im Bereich zwischen 4 mm und 14 mm liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergangsradis (R) von der Breitenkante (19) der Sonotrode (1) zum ausgangsseitigen Ende hin im Bereich von 15 mm und 40 mm liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (H) der Sonotrode (1) in Y-Richtung im Bereich zwischen 70 mm und 130 mm liegt und vorzugsweise etwas weniger als 100 beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Sonotrode (E) an der Eingangsseite im Bereich zwischen 20 mm und 80 mm liegt, vorzugsweise etwa 35 mm beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (F) der Bearbeitungsfläche (12) an der Ausgangsseite der Sonotrode < 30 mm ist, vorzugsweise im Bereich zwischen 5 mm und 30 mm liegt und besonders bevorzugt 9 mm beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (P) des breiten hinteren Abschnittes der Sonotrode (1) von der Seitenkante (20) der hinteren ebenen Fläche (13) bis nach vorn zum Anfangspunkt des Übergangsradius (R) im Bereich zwischen H/2 – 15 mm und H/2 + 15 mm liegt.