DE102008029769A1 - Sonotrodenwerkzeug mit Kühleinrichtung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Sonotrodenwerkzeug für eine Ultraschall-Schweißanlage, die einen Sonotrodenkörper (2) aufweist, dem von einer Ultraschall-Schwingeinheit erzeugte mechanische Schwingungen zuführbar sind, wobei der Sonotrodenkörper (2) mit einem Kühlmittel beaufschlagbar ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass im Sonotrodenkörper (2) eine diesen (2) von innen kühlende Kühleinrichtung (3, 4, 5) vorgesehen ist.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Sonotrodenwerkzeug für eine Ultraschall-Schweißanlage, das einen Sonotrodenkörper aufweist, dem von einer Ultraschall-Schwingeinheit erzeugte mechanische Schwingungen zuführbar sind, wobei der Sonotrodenkörper mit einem Kühlmittel beaufschlagbar ist.
- Ein derartiges Sonotrodenwerkzeug ist bekannt und wird zum Beispiel zur Bearbeitung von Werkstücken aus Kunststoffen eingesetzt. Durch eine Druckbeaufschlagung und eine senkrechte Einleitung der mechanischen Schwingungen des Sonotrodenwerkzeugs in das Werkstück entsteht in der Berührungszone zwischen der Arbeitsfläche der Sonotrode und dem zu bearbeitenden Werkstück eine Grenzflächen- und Molekularreibung, was zu einer lokalen Erwärmung des Werkstücks in der Berührungszone führt, so dass dieses lokal aufgeschmolzen wird. Auf derartige Weise lassen sich insbesondere in einfacher Art und Weise z. B. Nietköpfe oder Dome oder Umformungen im Werkstück herstellen.
- Nach Beendigung des durch die mechanischen Vibrationen des Sonotrodenwerkzeugs bewirkten Schmelzvorgangs wird im Regelfall die Sonotrode im ausgeschalteten Zustand auf dem geschweißten bzw. umgeformten Werkstück belassen. Durch die Verweilzeit des üblicherweise kalten Sonotrodenwerkzeugs auf dem Werkstück wird Wärme aus dem Werkstück auf das Sonotrodenwerkzeug übertragen, wodurch diese erwärmt wird. Um nun das Sonotrodenwerkzeug zu kühlen, wurde bis jetzt vorgesehen, dass die Sonotrode von außen mittels eines gasförmigen Kühlmediums angeblasen wurde, um die vorgenannte Wärme abzuführen. Eine derartige Vorgehensweise ist aber wenig effizient.
- Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Sonotrodenwerkzeug der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass eine verbesserte Kühlung desselben erzielt wird.
- Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass im Sonotrodenkörper des Sonotrodenwerkzeugs eine diesen von innen kühlende Kühleinrichtung vorgesehen ist.
- Die erfindungsgemäßen Maßnahmen besitzen den Vorteil, dass durch sie eine Kühlung des Sonotrodenkörpers von innen erreicht wird, was zu einer effektiven Abfuhr der von der Sonotrode aufgenommenen Wärme des Werkstücks führt. Die Verweilzeit der erfindungsgemäßen Sonotrode auf dem Werkstück nach dessen Bearbeitung wird hierdurch deutlich verkürzt. Da die Verweilzeit sich bei mehrmalig wiederholenden Ultraschall-Bearbeitungsschritten aufaddiert, wird durch die durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen bewirkte Reduzierung der Verweilzeit der Sonotrode auf dem Werkstück eine erhebliche Verkürzung der Prozesszeit erreicht.
- Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Sonotrodenkörper eine Einlassöffnung aufweist, durch welche das Kühlmittel in den Sonotrodenkörper einbringbar ist, und eine Auslassöffnung, durch welches das erwärmte Kühlmittel aus dem Inneren des Sonotrodenkörpers abführbar ist, besitzt, wobei die Einlassöffnung und die Auslassöffnung durch einen Kühlmittelkanal verbunden sind.
- Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass im Kühlmittelkanal des Sonotrodenkörpers eine Expansionskammer vorgesehen ist, in der eine Entspannung des ihr zugeführten Kühlmittels stattfinden kann. Die Expansion des Kühlmittels in der Expansionskammer des Kühlmittelkanals der Sonotrode führt zu einer Senkung der Temperatur des Kühlmittels, so dass eine effektive Kühlung des erfindungsgemäßen Sonotrodenwerkzeugs, deren Kühleinrichtung nach dem „Kühlschrank”-Prinzip arbeitet, erzielbar ist.
- Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Kühlmittelkanal als ein Wärmetauscher ausgebildet ist. Hierdurch wird der Sonotrodenkörper durch das ihn durchströmende Kühlmittel gekühlt, indem das Kühlmittel die im Sonotrodenkörper gespeicherte Wärme aufnimmt und derart der Sonotrodenkörper gekühlt wird.
- Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
- Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind den Ausführungsbeispielen zu entnehmen, die im folgenden anhand der Figuren beschrieben werden. Es zeigen:
-
1 : ein erstes Ausführungsbeispiel einer Sonotrode, und -
2 : ein zweites Ausführungsbeispiel einer Sonotrode. - In
1 ist nun ein Sonotrodenwerkzeug1 dargestellt, welches über einen Konverter K einer Ultraschall-Schwingeinheit S mechanische Schwingungen zuführbar sind. Der Konverter K wird seinerseits über einen Anschluss K1 mit elektrischer Energie versorgt, die von einem Ultraschall-Generator (nicht gezeigt) der Ultraschall-Schwingeinheit erzeugt wird. Der Aufbau und die Funktionsweise einer derartigen Sonotrodenanordnung ist bekannt und wird daher nicht näher beschrieben. - In einem Sonotrodenkörper
2 des Sonotrodenwerkzeugs1 ist nun eine Einlassöffnung3 vorgesehen, durch welche dem Sonotrodenwerkzeug1 ein Kühlmittel zuführbar ist. Die Einlassöffnung3 ist über einen Kühlmittelkanal4 mit einer Auslassöffnung5 verbunden, so dass das der Einlassöffnung3 über eine nicht gezeigte Zuführleitung zugeführte Kühlmittel, nachdem es während des Durchströmens des Kühlmittelkanals4 einen Teil der im Sonotrodenkörper2 gespeicherten Wärme aufgenommen hat, über die Auslassöffnung5 aus dem Sonotrodenkörper2 austritt und über eine mit der Auslassöffnung5 verbundene, nicht gezeigte Abflussleitung abgeführt und anschließend in einer ebenfalls nicht gezeigten, sonotrodenexternen Kühlvorrichtung gekühlt wird. - Bei dem hier beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel weist der Kühlmittelkanal
5 eine Expansionskammer6 auf, welche über Kühlleitungen4a ,4b mit der Einlassöffnung3 bzw. der Auslassöffnung5 verbunden ist. - Das dem Sonotrodenkörper
2 zugeführte Kühlmittel entspannt sich in der Expansionskammer6 , wodurch seine Temperatur sinkt. Das Kühlmittel kann daher bei dieser nach Art eines Kühlschranks arbeitenden Ausbildung der im Sonotrodenkörper2 integrierten Kühleinrichtung mehr Wärme aus diesem abführen. Hier durch wird in einfacher Art und Weise eine effiziente Kühlung der Sonotrode von innen heraus erreicht. - In
2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Sonotrodenwerkzeugs1 gezeigt, wobei einander entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen und nicht näher beschrieben werden. Der wesentliche Unterschied zwischen den beiden Ausführungsbeispielen ist, dass der Kühlmittelkanal4 im Sonotrodenkörper2 des zweiten Ausführungsbeispiels als ein Wärmetauscher ausgebildet ist, so dass die Kühlung des Sonotrodenkörpers2 im wesentlichen dadurch erfolgt, dass das den Sonotrodenkörper2 im Kühlkanal4 durchströmende Kühlmittel Wärme aus dem Sonotrodenkörper2 aufnimmt und abtransportiert. - Zusammenfassend ist festzuhalten, dass durch die im Inneren des Sonotrodenkörpers
2 angeordneten Kühleinrichtung eine verbesserte Kühlung des Sonotrodenkörpers2 des Sonotrodenwerkzeugs1 erzielbar ist, als dies bei einem herkömmlichen Kühlen eines Sonotrodenkörpers2 von außen, z. B. durch Anblasen mit einem Kühlmittel, erzielbar ist. Das beschriebene Sonotrodenwerkzeug1 zeichnet sich durch kurze Verweilzeiten auf dem von ihm zuvor mit Ultraschall-schwingungen beaufschlagten Werkstück aus, so dass eine Verkürzung der Prozesszeit bei Umform- oder Schweißvorgängen erzielbar ist.
Claims (5)
- Sonotrodenwerkzeug für eine Ultraschall-Schweißanlage, die einen Sonotrodenkörper (
2 ) aufweist, dem von einer Ultraschall-Schwingeinheit erzeugte mechanische Schwingungen zuführbar sind, wobei der Sonotrodenkörper (2 ) mit einem Kühlmittel beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Sonotrodenkörper (2 ) eine diesen (2 ) von innen kühlende Kühleinrichtung (3 ,4 ,5 ) vorgesehen ist. - Sonotrodenwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sonotrodenkörper (
2 ) eine Einlassöffnung (3 ) aufweist, durch welche das Kühlmittel in den Sonotrodenkörper (2 ) einbringbar ist, und eine Auslassöffnung (5 ), durch welche das erwärmte Kühlmittel aus dem Inneren des Sonotrodenkörpers (2 ) abführbar ist, besitzt, wobei die Einlassöffnung (3 ) und die Auslassöffnung (5 ) durch einen Kühlmittelkanal (4 ) verbunden sind. - Sonotrodenwerkzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlmittelkanal (
5 ) eine Expansionskammer (6 ) vorgesehen ist. - Sonotrodenwerkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionskammer (
6 ) durch Kühlmittelleitungen (4a ,4b ) mit der Einlassöffnung (3 ) und der Auslassöffnung (5 ) verbunden ist. - Sonotrodenwerkzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkanal (
4 ) als ein Wärmetauscher ausgebildet ist.
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