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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von
hochfrequenten Schwingungen nach dem Oberbegriff der unabhängigen
Ansprüche. Des Weiteren betrifft die Erfindung Verfahren,
die von der genannten Vorrichtung Gebrauch machen.
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Die
Verwendung von Ultraschall ist mittlerweile aus der Industrie nicht
mehr wegzudenken. Ultraschalleinrichtungen werden zum Schweißen
von Materialbahnen, zum Löten, Mischen, Applizieren von
z. B. Mehrkomponentenklebstoffen, Reinigen und Vereinzeln, Nieten,
Einfügen usw. eingesetzt.
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Eine
spezielle derartige Vorrichtung ist aus der
DE 103 43 325 A1 bekannt.
Diese beschreibt eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Verbinden und/oder
Verfestigen von Materialbahnen mittels Ultraschall mit einem als
Koppelzapfen ausgebildeten Ultraschall-Schwinger und einer umfangseitig
auf diesem aufgesetzten Hülse (insgesamt eine Sonotrode
bildend), wobei der Ultraschall-Schwinger und die Hülse
eine rotierende Walze darstellen. Dieser Walze radial gegenüber
liegt ein Gegendruckwerkzeug. Axial an die besagte Walze ist ein
Amplitudentransformationsstück angesetzt, auch Booster
genannt. An das Amplitudentransformationsstück schließt
sich ein Ultraschallkonverter mit einer Spannungsversorgung an.
Die Länge der rotierenden Walze entspricht hierbei einer λ/2-Welle
der aufgezwungenen Schwingung oder einem Vielfachen hiervon. Bei
einer speziellen Ausführungsform wird die rotierende Walze
von einer Hülse bzw. einem Rohr gebildet, welches von jeweils einem
Stirnzapfen verschlossen ist. An diesen Stirnzapfen schließen
sich die Amplitudentransformationsstücke an.
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Nachteilig
bei dieser bekannten Vorrichtung ist, dass eine hochgenaue Anpassung
von Ultraschall-Schwinger und in Schwingung zu versetzendem Element
notwendig ist, dessen Schwingungsfrequenz zudem auf die Frequenz
des Ultraschall-Schwingers beschränkt ist.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Erzeugen
von hochfrequenten Schwingungen zur Verfügung zu stellen,
die einen flexibleren und effizienteren Einsatz bietet. Die Angabe
von entsprechenden Verfahren und Verwendungen für eine
derartige Vorrichtung ist ebenfalls Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
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Diese
Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen
Ansprüche gelöst.
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Gemäß einem
ersten Erfindungsaspekt, bei dem zwischen dem Außenumfang
des Ultraschall-Schwingers und der Innenseite der Hülse
mindestens ein mit diesen fest verbundener Koppelabschnitt angeordnet
ist, ist dessen Ankopplungslänge um mindestens 50% kürzer
als die Axialerstreckung des Ultraschall-Schwingers. Diesem Erfindungsaspekt
liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die vorbekannte vollflächige
Anlage der Hülse an dem Ultraschall-Schwinger die Schwingungen
der Hülse sehr stark einschränkt und eine zuverlässige
Lagerung der Hülse im Betrieb erschwert. Bisher wurde im Stand
der Technik davon ausgegangen, dass für eine optimale Anregung
eines Schwingungsgebildes (wie beispielsweise einer Hülse
wie in der
DE 103
43 325 A1 beschrieben) dieses Gebilde hinsichtlich Abmessungen
und Ankopplung bestimmte Erfordernisse erfüllen müsse.
Hierzu wurde die Länge des Schwingungsgebildes auf die
Anregungswellenlänge abgestimmt (n·λ/2,
wobei n eine natürliche Zahl ist). Ebenso wurde eine größtmögliche
Anlagefläche des Schwingungsgebildes an den Ultraschall-Schwinger realisiert,
damit das Schwingungsgebilde mit möglichst hoher Amplitude
von der Anregungsfrequenz angeregt werden kann.
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Demgegenüber
hat sich erfindungsgemäß gezeigt, dass sich eine
Anregung der Hülse am geeignetsten durch die kurze Kopplungslänge
des Koppelabschnitts realisieren lässt. Es ist hierbei
insbesondere von Vorteil, dass keine Abstimmung der Hülsenlänge
auf ein Vielfaches der halben Wellenlänge der erregten
Schwingung der Hülse vorgenommen werden muss.
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Besonders
bevorzugt ist die Ankopplungslänge des Koppelabschnitts
um mindestens 60% kürzer als die Axialerstreckung des Ultraschall-Schwingers,
vorzugsweise kürzer als 75%, bevorzugt kürzer als
90%. Die Ankopplungslänge ist demnach sehr klein gewählt,
um einerseits die Hülse in Schwingung versetzen zu können,
andererseits aber keine starre Kopplung und damit Bewegungseinschränkung
der Hülse zu erhalten.
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Um
die erfindungsgemäße kleinflächige Befestigung
zwischen Hülse und Ultraschall-Schwinger mittels dem mindestens
einen Koppelabschnitt zu ermöglichen, ist zweckmäßigerweise
ein Spalt zwischen der Innenwand der Hülse und dem Außenumfang
des Ultraschall-Schwingers vorhanden. Die Spaltbreite kann hierbei
im Millimeterbereich liegen. Wesentlich ist, dass sich Hülse
und Ultraschall-Schwinger im Betrieb nicht berühren, weil dann
eine Verstimmung resultieren würde.
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Der
Begriff „Hülse” gemäß der
vorliegenden Erfindung bezeichnet vorliegend ein Gebilde, das zumindest
im Bereich des Ultraschall-Schwingers diese umfangseitig zumindest
teilweise umgreift, um die Befestigung am Umfang des Ultraschall-Schwingers zu
gewährleisten. Der Querschnitt der Hülse kann verschiedene
Formen annehmen. Auch ist es möglich, dass der Querschnitt
in Axialrichtung variiert. Gemäß einer beispielhaften
Ausführungsform weist die Hülse einen durchgehenden
runden Querschnitt auf, ist also als Rundrohr ausgebildet und erstreckt sich
vorzugsweise linear in Axialrichtung. Andere Querschnitte sind möglich.
Die Hülse kann durchgängig hohl oder teilweise
gefüllt ausgebildet sein. Der Ultraschallschwinger gemäß der
vorliegenden Erfindung kann insbesondere zylinderförmig
ausgebildet sein, wobei der oder die Koppelabschnitte am Außenumfang
angeordnet sind.
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Gemäß einem
zweiten Erfindungsaspekt ist zwischen dem Außenumfang des
Ultraschall-Schwingers und der Innenseite der Hülse mindestens
ein mit diesen fest verbundener Koppelabschnitt angeordnet, wobei
die Ankopplungslänge derart kurz und der Ankopplungsort
derart gewählt sind, dass die Transversalschwingungen der
Hülse im Wesentlichen keine Lasteinflüsse auf
die Schwingungen des Ultraschall-Schwingers ausüben.
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Wenn
also die Kontakt- bzw. Befestigungsfläche zwischen Schwingungsgebilde
und Ultraschall-Schwinger hinreichend klein gewählt und
entsprechend geeignet in der Hülse platziert wird, kann die
Hülse im Wesentlichen in Transversalschwingungen versetzt
werden, wobei sie nahezu oder sogar gar keine Rückwirkung
auf den Ultraschall-Schwinger ausübt. Die Ankopplung erfolgt
hierbei bevorzugt in einem Schwingungsextremum der Hülsentransversalschwingung.
Die Hülse und ggf. mit ihr gekoppelte Arbeitswerkzeuge
(Messer, Prägewerkzeuge, usw.) werden somit angeregt und
schwingen dann eigenständig, ohne ihrerseits den Ultraschall-Schwinger, beispielsweise
einen Ultraschall-Erregerzapfen in der Hülse, zu beeinflussen.
Wesentliche Amplitudenverluste treten hierbei bei entsprechender
Abstimmung nicht auf.
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Es
ist demnach gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt überraschenderweise
mittels der Ankopplung über die schmal ausgeführten
Kopplungsabschnitte gelungen, eine Rückwirkung der Schwingungen
von Hülse auf den Ultraschall-Schwinger nahezu oder sogar
vollständig zu vermeiden. Es hat sich in Versuchen gezeigt,
dass unterschiedliche und auch in unterschiedlicher Anzahl mit der
Hülse verbundene, die Schwingung ausnutzende Elemente (z. B.
Werkzeuge, Piezoelemente) den Ultraschall-Schwinger unbeeinflusst
lassen, d. h. keine erhöhte Leistungszufuhr notwendig ist,
um ein oder mehrere der genannten Elemente zum Schwingen zu bringen.
Diese Entdeckung eröffnet verschiedenste Anwendungsmöglichkeiten,
beispielsweise bei der Energieumwandlung und -erzeugung.
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Bei
geeigneter erfindungsgemäßer umfangseitiger Ankopplung
der Hülse mittels mindestens einem Koppelabschnitt an den
Ultraschall-Schwinger wird bevorzugt die Amplitude des Ultraschall-Schwingers
selbst nicht oder kaum von der Schwingung der Hülse beeinflusst.
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Gemäß einem
dritten Erfindungsaspekt ist zwischen dem Außenumfang des
Ultraschall-Schwingers und der Innenseite der Hülse mindestens
ein mit diesen fest verbundener Koppelabschnitt angeordnet, wobei
die beiden Enden der Hülse jeweils über den Koppelabschnitt
hinausragen. Diese Konstruktion ermöglicht es, dass der
Ultraschall-Schwinger ganz in der Hülse angeordnet werden
kann. Es ergibt sich hieraus nicht nur ein Raumvorteil, sondern
es kann zudem eine Lagerung der Hülse unabhängig
von dem Ultraschall-Schwinger realisiert werden. Es muss lediglich
eine Spannungsversorgung vom Ultraschall-Konverter zum Ultraschall-Schwinger
vorgesehen sein. Es hat sich zudem herausgestellt, dass eine Unterbringung
des Ultraschall-Schwingers in der Hülse gemäß dem
dritten Erfindungsaspekt eine hervorragende, stabile Ankopplung
zur Hülse mittels dem mindestens einen Koppelabschnitt
ermöglicht.
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Gemäß einem
vierten Erfindungsaspekt ist gleichfalls zwischen dem Außenumfang
des Ultraschall-Schwingers und der Innenseite der Hülse
mindestens ein mit diesen fest verbundener Koppelabschnitt angeordnet,
wobei hier die Hülse unabhängig von dem Ultraschall-Schwinger
an ihrer Innenseite und/oder Außenseite gelagert ist. Bei
einer derartigen Ausführung sind die Hülse und
das Lager direkt miteinander gekoppelt. Es ist also nicht wie im
Stand der Technik ein Ultraschall-Schwinger zwischen Hülse
und Lager angeordnet. Diese Ausgestaltung erhöht die Einsatzflexibilität
enorm. Außerdem treten keine mechanischen Belastungen am
Ultraschall-Schwinger auf, da dieser keine Lagerkräfte aufnehmen
muss.
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Eine
Kombination der verschiedenen Erfindungsaspekte in einer Vorrichtung
zum Erzeugen von hochfrequenten Schwingungen ist ohne weiteres möglich
und sogar bevorzugt.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Vorrichtung derart
ausgelegt, dass der Ultraschall-Schwinger die Hülse zu
einer Transversalschwingung anregt, deren Amplitude um mindestens
50% größer ist als eine ggf. ebenfalls angeregte
Longitudinalschwingung, vorzugsweise größer als
75%, besonders bevorzugt größer als 90%. Mit anderen
Worten ist es bevorzugt, dass in der Hauptsache Transversalschwingungen
realisiert werden, im Gegensatz zur
DE 103 43 325 A1 , bei der Transversal- und
Longitudinalwelle etwa gleich große Amplituden aufweisen.
Eine derartige Schwingungsanregung ist im Wesentlichen durch den
mindestens einen schmalen Koppelabschnitt zu erreichen.
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Wie
schon oben erwähnt, ist besonders bevorzugt die Länge
der Hülse nicht unbedingt harmonisch auf den Ultraschall-Schwinger
abgestimmt. Es hat sich gezeigt, dass eine solche Abstimmung nicht vonnöten
ist bzw. sogar schlechtere Schwingungseigenschaften bedingen kann.
Es bestehen demnach weniger Konstruktionszwänge bei der
Wahl der Hülsenlänge. Diese kann vielmehr dem
jeweiligen Einsatzzweck angepasst werden. Insbesondere ist es nach
dem Vorhergesagten nicht notwendig, dass die Länge der
Hülse einer Lamba-halbe (λ/2) Welle der angeregten
bzw. erregten Schwingung oder einem Vielfachen davon entspricht
(L = x·λ/2). Die Erfindung setzt sich hierbei
von dem eingangs genannten Stand der Technik deutlich ab. Bei den
bisherigen Versuchen wurden bei Frequenzen von 20 kHz Wellenlängen
im Bereich von 30–80 mm realisiert, wobei die Wellenlängen
insbesondere vom Hülsenmaterial sowie von der Wanddicke
der Hülse beeinflusst werden.
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Besonders
bevorzugt ist es sogar, wenn die Hülse eine Länge
von n·λ/2 + 2·x aufweist, wobei λ die
Wellenlänge der erregten Schwingung der Hülse und
x < λ/2
ist. Es hat sich herausgestellt, dass eine Verlängerung
der Hülse über die in
DE 103 43 325 A1 als notwendig
angesehene Länge von n·λ/2 um eine Strecke
x eine wesentlich bessere Anregung von Transversalschwingungen ermöglicht.
In Versuchen hat sich herausgestellt, dass eine Wahl von x im Bereich
von größer als λ/30 und kleiner als λ/2
möglich ist, vorzugsweise λ/15 < x < λ/5. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist x größer
als 1 mm gewählt.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform ist die Hülse an
einer oder beiden ihrer Stirnseiten in innen- und/oder außenseitig,
d. h. an ihrem Innen- oder Außenumfang, angreifenden Lagern
(Radiallager) gelagert. Eine derartige Lagerung ermöglicht
es, die Lager direkt innen- und/oder außenumfangseitig an
der Hülse vorzusehen. Eine indirekte Lagerung über
einen zwischengeschalteten Ultraschall-Schwinger erübrigt
sich. Außerdem können die Lagersitze präzise
an die erregten Transversalschwingungen angepasst werden, um einerseits eine
optimale Kraftaufnahme zu ermöglichen und andererseits
ein Schwingen der Lager in Transversalrichtung, d. h. Axialrichtung
der Hülse, und auch in Longitudinalrichtung weitgehend
zu vermeiden.
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Es
hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das oder die Lager
näher am entsprechenden freien Ende der Hülse
vorgesehen sind als der Koppelabschnitt zwischen Ultraschall-Schwinger
und Hülse. Bei einer diesbezüglichen Ausführungsform befindet
sich der Ultraschall-Schwinger in der Hülse axial zwischen
zwei stirnseitigen, innenseitig der Hülse angreifenden
Lagerstellen (Radiallager).
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Besonders
bevorzugt sind die jeweiligen freien Enden der Hülse ungelagert,
können also frei schwingen. Die radial angreifenden Lager
sind hierbei beispielsweise ein wenig nach innen versetzt angeordnet
und greifen vorzugsweise im Bereich der äußersten
Schwingungsknoten der Transversalwellen an der Hülse an.
Da die Lagerstellen und die Hülse endliche Dicken aufwei sen,
können die Mittellinien der Hülse und der Lagerstellen – die
beispielsweise als Lagerstege ausgeführt sind – herangezogen
werden, um eine optimierte Ankopplung zu realisieren. Mit anderen
Worten trifft hierbei die Mittellinie eines Lagersteges die Mittellinie
der Hülse in einem ihrer Transversalschwingungsknoten.
Die Mittellinien entsprechen hierbei den sog. „neutralen
Fasern” bzw. „neutralen Achsen”.
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Die
Wanddicke der Hülse kann nach den jetzigen Erkenntnissen
in weiten Bereichen gewählt werden. Sie liegt vorzugsweise
je nach Anwendungsfall im Bereich von 1 mm bis 100 mm, besonders
bevorzugt im Bereich von 5 mm bis 100 mm.
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Die
Frequenz der Transversalschwingung, mit welcher die Hülse
in Schwingung versetzt wird, weicht vorteilhafterweise nicht mehr
als 2% von der Erregerfrequenz des Ultraschall-Schwingers ab. Die Übertragung
der Erregerfrequenz vom Ultraschall-Schwinger über den
mindestens einen Koppelabschnitt auf die Hülse wird also
effektiv realisiert. Es ist anzunehmen, dass die Hülse
durch die Anregung in eine Eigenschwingung versetzt wird. Üblicherweise
werden Ultraschall-Schwinger mit einer Frequenz von 19,5–20,5
kHz angeregt.
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Für
eine effektive Ankopplung bzw. Übertragung der Schwingungsamplituden
des Ultraschall-Schwingers auf die Hülse ist bevorzugt
vorgesehen, dass der Koppelabschnitt im Bereich eines Schwingungsbauchs,
insbesondere in einem Schwingungsextremum, in Bezug auf die Transversalschwingung
der Hülse vorgesehen ist.
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Es
hat sich als bevorzugt herausgestellt, wenn der Koppelabschnitt
eine Länge in Axialrichtung von 2–20 mm aufweist,
entlang derer er mit der Innenseite der Hülse fest verbunden
ist. Es hat sich in Versuchen herausgestellt, dass zur Erzeugung
der erfindungsgemäßen hochfrequenten Hülsenschwin gungen
die Stegdicke bis zu 30% der halben Wellenlänge der hervorgerufenen
Hülsenschwingung betragen kann.
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Bei
einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der Koppelabschnitt
durchgehend und radial umlaufend am Außenumfang des Ultraschall-Schwingers
befestigt. Diese Ankopplung gewährleistet bei insgesamt
kleiner Befestigungsfläche eine hohe Energieübertragung
von dem Ultraschall-Schwinger auf die Hülse. Alternativ
ist der mindestens eine Koppelabschnitt nur an voneinander beabstandeten
Bereichen entlang des Umfangs des Ultraschall-Schwingers vorgesehen,
wobei diese Bereiche insgesamt den Koppelabschnitt darstellen. Wenn
hier allgemein von Koppelabschnitt die Rede ist, kann dieser aus
einem zusammenhängenden Bereich oder aus mehreren voneinander
getrennten Bereichen bestehen.
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Gemäß einer
diesbezüglichen Ausführungsform ist der Steg am
Umfang des Ultraschall-Schwingers vorgesehen (beispielsweise herausgedreht)
und einstückig mit diesem ausgebildet, und die Hülse
auf diesen Steg aufgeschrumpft und/oder aufgepresst.
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Eine
alternative Ausführung zur Befestigung der Hülse
auf dem Ultraschall-Schwinger sieht vor, dass der Koppelabschnitt
als radial nach innen gerichteter, einstückiger Steg bzw.
Kragen der Hülse ausgebildet ist, dessen freies Ende an
dem Ultraschall-Schwinger befestigt ist. Der Steg kann hierbei geschlossen
umlaufen oder Unterbrechungen aufweisen. Diese Ausbildung ermöglicht
ebenfalls die erfindungsgemäße, sich nur über
einen schmalen bzw. kleinen Bereich erstreckende Befestigung zwischen
Hülse und Ultraschall-Schwinger. Es bietet sich an, den
Steg der Hülse beispielsweise mittels eines Schrumpf- und/oder
Presssitzes auf dem Ultraschall-Schwinger zu befestigen.
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Der
Steg bzw. Kragen selbst kann auch als separates Teil ausgebildet
sein, welches einerseits mit der Hülse und andererseits
mit dem Ultraschall-Schwinger fest verbunden wird.
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Mittels
des vorbeschriebenen Stegs, der zweckmäßigerweise
an einer Stirnseite der Hülse angeordnet ist, ist es möglich,
die Kopplungsstelle zwischen Hülse und Ultraschall-Schwinger
lediglich entlang eines kurzen axialen Teilabschnitts des Ultraschall-Schwingers
vorzusehen. Hierbei kann dann die Steg- bzw. Kragendicke wesentlich
kleiner als die Länge des Ultraschall-Schwingers sein.
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Ein
besonderer Vorteil ergibt sich in bestimmten Anwendungsfällen,
wenn ein Werkstoff für die Hülse verwendet wird,
der eine große Festigkeit und wenig Abrieb hat. Hier bietet
sich insbesondere Stahl an. Sonotroden aus dem Stand der Technik,
die mit Werkstücken in Kontakt kommen, sind üblicherweise
aus speziellem Aluminium oder Titan gefertigt. Bei der erfindungsgemäßen
Vorrichtung kann hingegen ein härteres, abriebfesteres
Material gewählt werden, da keine Rücksicht auf
den Ultraschall-Schwinger genommen werden muss. In bestimmten Anwendungsfällen
kann jedoch auch ohne weiteres auf Aluminium oder Titan als Material
für die Hülse zurückgegriffen werden.
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Eine
besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch
aus, dass der Ultraschall-Schwinger und die an ihr befestigte Hülse als
rotierende Körper ausgebildet sind. Man erhält somit
eine rotierende Walze, die vielfältige Einsatzmöglichkeiten
bietet, beispielsweise bei der Herstellung von Flachmaterialbahnen,
bei denen mehrere Bahnen miteinander verschweißt werden.
Die Walze kann hierbei direkt angetrieben oder geschleppt werden.
Bei einem direkten Antrieb kann der Ultraschall-Schwinger und/oder
die Hülse angetrieben werden.
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Bei
einer Ausführung als Walze mit einer parallel zu ihr angeordneten
Gegendruckwalze ist die oben genannte Stahlausführung der
Hülse besonders vorteilhaft, da diese dann eine nur sehr
kleine Durchbiegung aufweist, so dass auch sehr lange Hülsen
mit mehreren Metern Länge und damit entsprechende Bearbeitungsbreiten
realisiert werden können.
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Zur
Nutzung der erregten Schwingungen, insbesondere der Transversalschwingungen,
der Hülse können an ihrem Außenumfang
bevorzugt verschiedene Werkzeuge oder Energiewandler angeordnet
werden, insbesondere Schneidkanten, Piezowandler, Prägewerkzeuge,
Schweißmuster-Werkzeuge und/oder Schweißkanten.
Die Amplituden der Biege- oder Transversalschwingungen können
somit auf vielfältige Weise effektiv ausgenutzt werden.
Die Hülse kann hierbei feststehend oder rotierend ausgebildet
sein.
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Weist
die Hülse beispielsweise an ihrem Außenumfang
eine Prägeprofilierung auf, lassen sich im Zusammenspiel
mit einem Gegendruckwerkzeug verschiedene Materialbahnen bearbeiten,
beispielsweise Bahnen zur Herstellung von Wellpappe. Auch eine Verfestigung
von Materialbahnen ist möglich.
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Bei
alternativen Verwendungen ist die Hülse mit einer Einrichtung
gekoppelt, die aufgrund der Schwingungsanregung der Hülse
in Axialrichtung schwingt. Diese Einrichtung kann gleichfalls als Werkzeug
verschiedenster Ausführung ausgebildet sein, insbesondere
als axial bewegliches Messer, als zweiter Ultraschall-Schwinger
(der von der Hülse zum Schwingen angeregt wird, wobei dann
seine Schwingungen als Erregerschwingungen in einer zweiten Hülse
ausgenutzt werden), als Prägewerkzeug, Stempel, Bohrer
oder Erosionswerkzeug.
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Bei
einer diesbezüglich speziellen Ausführungsform
ragt eine in Axialrichtung in Schwingung versetzte Einrichtung,
beispielsweise ein Messer, durch ein die Hülse lagerndes
Lager axial nach außen. Auf diese Weise kann ein mit Hochfrequenz schwingendes
Messer realisiert werden, das aufgrund der oben beschriebenen kaum
oder nicht vorhandenen Rückkopplung auf den Ultraschall-Schwinger
auch noch eingesetzt werden kann, wenn die Schneidkante durch eine
längere Nutzung kürzer geworden ist. Gemäß dem
Stand der Technik könnte dann dieses Messer aufgrund der
daraus resultierenden Verstimmung nicht mehr verwendet werden. Demgegenüber
ist gemäß der Erfindung keine derartige Abstimmung
mehr vonnöten, so dass sich längere Einsatzzeiten
und Kosteneinsparungen ergeben.
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Der
Querschnitt des Ultraschall-Schwingers kann verschiedene geometrische
Formen einnehmen. Beispielsweise ist er kreisförmig, quadratisch, rechteckig
oder elliptisch ausgebildet. Gleiches gilt für den Querschnitt
der Hülse.
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Für
viele Anwendungsfälle ist es zweckmäßig,
wenn die Hülse – abgesehen von ihrem Befestigungsabschnitt
an dem Ultraschall-Schwinger – über ihre gesamte
Länge einen konstanten Querschnitt aufweist. Ein Beispiel
hierfür ist die oben genannte rohrförmige Ausgestaltung
als Teil einer rotierenden Walze.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung ist auf beiden Seiten der Hülse
je ein Ultraschall-Schwinger mit jeweils einem optionalen Amplitudentransformationsstück,
Ultraschallkonverter und Spannungsversorgung vorgesehen. Somit kann
Ultraschall von beiden Stirnseiten her in die Hülse eingekoppelt
werden, so dass eine insgesamt höhere Leistungszufuhr ermöglicht
ist. Bei einer rotatorischen Anordnung der beiden Ultraschall-Schwinger
mit der dazwischen angeordneten Hülse können eine
oder beide Ultraschall-Schwinger angetrieben werden. Auch die Hülse
kann ggf. über einen eigenen Antrieb verfügen.
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Bei
an beiden Stirnseiten der Hülse angeordneten Ultraschall-Schwingern
ist es zweckmäßig, diese entweder mit einem Phasenversatz
anzuregen oder den Abstand zwischen den beiden Befestigungsstellen
der Hülse als ungerades Vielfaches von λ/2 bzgl.
der Schwingungsfrequenz der Hülse zu wählen.
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Gegenstand
der Erfindung ist ebenfalls ein Verfahren zur Erzeugung von Ultraschall
und dem Ausnutzen der erhaltenen Schwingungen. Hierbei wird mittels
der zuvor beschriebenen, erfindungsgemäßen Vorrichtung
Ultraschallenergie auf eine Hülse übertragen.
Es sind hierbei vielfältige Verwendungen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung möglich. Hierzu zählen, ohne einen
Anspruch auf Vollständigkeit zu erheben, das Erwärmen
(insbesondere von Wasser), Filtern und Stofftrennen, einschließlich
der Klärschlammreinigung, das Schneiden, Bohren, Verbinden,
Prägen, Verfestigen oder Glätten von Materialien.
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Besonders
vielversprechend scheint die Umwandlung von mechanischer Energie,
d. h. den Schwingungen der Hülse, in elektrische Energie,
insbesondere mit Hilfe von Piezowandlern, die auf dem Außenumfang
der Hülse platziert werden. Da auch bei der Platzierung
von mehreren Piezowandlern auf der Außenfläche
der Hülse keine oder nahezu keine Rückwirkungen
auf den Ultraschall-Schwinger beobachtet wurden, scheint es möglich,
hohe elektrische Energiemengen durch Verwendung einer Vielzahl von
Piezowandlern zu erhalten.
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Ein
weiteres viel versprechendes Anwendungsgebiet scheint die Erwärmung
von Brauchwasser zu sein. Hierzu wird beispielsweise ein Metallrohr, vorzugsweise
aus Messing, mit der Hülse gekoppelt und mit zirkulierendem
Wasser beschickt. Durch die Ankopplung wird das Messingrohr in Schwingungen versetzt
und erhitzt sich hierdurch, wobei ein Teil der Wärme direkt
an das Wasser abgegeben wird.
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Überraschend
hat sich zudem herausgestellt, dass sich bei der Anwendung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung in Flüssigkeiten kaum Amplitudenverluste ergeben.
Gegenüber bekannten Vorrichtungen, bei denen die Amplitudendämpfung
teilweise erheblich ist, ist demnach auch der Einsatz in Flüssigkeiten
besonders vorteilhaft, beispielsweise bei der genannten Klärschlammreinigung
oder der Ultraschallreinigung in Flüssigkeiten.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert.
Dabei können die in den Figuren dargestellten und in den
Ansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale einzeln
oder in Kombination erfindungswesentlich sein.
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In
den nachfolgenden Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche
oder einander entsprechende Elemente. Es zeigen:
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1 einen
Längsschnitt einer ersten Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erzeugen von
Ultraschall;
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1a eine ähnliche
Ausführung wie in 1, allerdings
mit Lagern am Außenumfang der Hülse;
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2 die
Vorrichtung gemäß der 1, zu Schwingungen
angeregt;
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3 einen
weiteren Schwingungszustand der Vorrichtung gemäß der 1 und 2;
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4 einen
Längsschnitt einer zweiten Ausführungsform mit
axial schwingendem Messer;
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5 die
Vorrichtung gemäß der 4, zu Schwingungen
angeregt;
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6 einen
weiteren Schwingungszustand der Vorrichtung gemäß der 4 und 5;
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7 einen
Längsschnitt einer dritten Ausführungsform mit
axial schwingendem Messer;
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8 die
Vorrichtung gemäß der 7, zu Schwingungen
angeregt;
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9 einen
weiteren Schwingungszustand der Vorrichtung gemäß der 7 und 8;
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10 eine
schematische Seitenansicht einer vierten Ausführungsform
mit Schneidkante entlang des Außenumfangs der Hülse;
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11 eine
schematische Seitenansicht einer fünften Ausführungsform
mit zwei schematisch dargestellten Piezowandlern am Außenumfang
der Hülse;
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11a eine Vorderansicht der Vorrichtung gemäß der 11;
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12 einen
weiteren Schwingungszustand der Vorrichtung gemäß der 11;
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13 eine
Vorderansicht einer fünften Ausführungsform mit
vier Piezowandlern;
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14 die
Vorrichtung gemäß der 13 im Längsschnitt
entlang A-A der 13;
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15 die
Vorrichtung gemäß der 13 und 14 in
perspektivischer Ansicht;
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16 eine
Vorderansicht der fünften Ausführungsform der
Hülse mit 20 Piezowandlern;
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17 die
Vorrichtung gemäß der 16 im Längsschnitt
entlang A-A der 16;
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18 die
Vorrichtung gemäß der 16 und 17 in
perspektivischer Ansicht;
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19 einen
Längsschnitt durch eine sechste Ausführungsform
mit einem Adapter zur Flüssigkeitserwärmung (entlang
A-A der 20);
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20 eine
Vorderansicht der Vorrichtung gemäß der 19;
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21 die
Vorrichtung gemäß der 19 und 20 in
perspektivischer Ansicht;
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22 eine
perspektivische, geschnittene Detailansicht einer sechsten Ausführungsform
mit teilweise aus der Hülse herausragendem Ultraschall-Schwinger;
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23 eine
schematische geschnittene Teilansicht der Vorrichtung gemäß der 22,
und
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24 eine
perspektivische geschnittenen Detailansicht einer siebten Ausführungsform
mit zwei, teilweise aus der Hülse herausragenden, Ultraschall-Schwingern.
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In
den 1–3 ist eine
erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung 1 dargestellt. Die Schnittdarstellung der 1 zeigt eine
rohrförmige Hülse 25 aus einem Metall,
beispielsweise aus gehärtetem Stahl oder einer Stahllegierung.
Die Hülse 25 weist z. B. eine Länge von 4000
mm auf und besitzt eine Wandstärke von 10 mm. Der Außenumfang
der Hülse 25 beträgt z. B. 150 mm und
der Innenumfang dementsprechend 140 mm (keine maßstabsgetreue
Darstellung).
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Die
Hülse 25 weist an ihren beiden Stirnseiten jeweils
ein Lager 30 auf, die vorliegend jeweils als Zapfen ausgebildet
sind und ein zentrisches, an beiden Stirnseiten offenes Rohr 32 aufweisen,
dessen einer Teil in die Hülse 25 hineinreicht
und dessen anderer Teil aus der Hülse 25 ragt.
Das Rohr 32 weist außenumfangseitig zwei axial
zueinander versetzt umlaufende Radialstege 34 auf, deren
freie Enden mit der Innenwand der Hülse 25 fest
verbunden sind, beispielsweise durch Presssitze. Die Radialstege 34 sind
derart in der Hülse 25 angeordnet, dass die freien
Enden 26 der Hülse 25 ungekoppelt bleiben.
Des Weiteren hat die gezeigte Lagerung der Hülse 25 zur Folge,
dass der Ultraschall-Schwinger 20 und die Lager 30 nicht
direkt miteinander verbunden sind. Dies hat den Vorteil, dass die
Lager 30 derart an der Hülseninnenwand positioniert
werden können, dass sie nicht oder kaum durch den Ultraschall-Schwinger 20 in
Schwingungen versetzt werden.
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In
der Hülse 25 ist ein zylinderförmiger
Ultraschall-Schwinger 20 angeordnet, der ebenfalls aus einem
Stahl gefertigt sein kann. Der Ultraschall-Schwinger 20 ist über
eine Leitung 18 mit einem (oder mehreren) optionalen Amplitudentransformationsstück 14 bzw.
Booster und einem daran anschließenden Ultraschallkonverter 12 verbunden. Der
Ultraschall-Konverter 12 ist an eine Spannungsversorgung 10 angeschlossen.
Die Elemente 10, 12, 14 sind in der 1 nur
schematisch dargestellt. In den übrigen Figuren wurden
sie überwiegend der Einfachheit halber nicht dargestellt,
s. aber 22 und 24. Es
sei angemerkt, dass der Ultraschallkonverter 12 auch in
der Hülse angeordnet werden kann, wobei bei einer Außenanordnung
eine einfachere Kühlung ermöglicht wird. Auch
kann er leichter ausgewechselt werden.
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Der
Ultraschall-Schwinger 20 ist mit der Innenwand der Hülse 25 mittels
eines radial umlaufenden, durchgehenden, hier als Steg ausgebildeten Koppelabschnitts 22 fest
verbunden. Der Koppelabschnitt 22 kann beispielsweise aus
dem Vollmaterial des Ultraschall-Schwingers 20 durch Drehen
herausgebildet sein und mit der Hülse 25 durch
Presssitze verbunden sein. Alternativ ist der Koppelabschnitt 22 einstückig
mit der Hülse 25 verbunden. Andere Verbindungsmöglichkeiten
von Koppelabschnitt 22, Ultraschall-Schwinger 20 und
Hülse 25 sind möglich und liegen für
den Fachmann auf der Hand.
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Die
Ankopplungslänge AL des Koppelabschnitts 22 ist
wesentlich kleiner als die Axialerstreckung AE des Ultraschall-Schwingers 20 und
weist beispielsweise eine Länge von 5 mm auf, entlang derer
er mit der Innenseite der Hülse 25 fest verbunden ist.
Die Ankopplungslänge AL liegt hierbei deutlich unterhalb
der Wellenlänge λ, mit der die Hülse 25 schwingt,
vorzugsweise unterhalb von 30% von λ/2.
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Der
Ultraschall-Schwinger 20 wird beispielsweise in dem bekannten
Frequenzbereich von 19,5–20,5 kHz angeregt und regt entsprechend über den
Koppelabschnitt 22 die Hülse 25 zu Schwingungen
an. Wie in den 2 und 3 dargestellt, schwingt
die Hülse bei der gezeigten Darstellung im Wesentlichen
transversal mit einer Frequenz, die sich nur im niedrigen Prozentbereich
von der Anregungsfrequenz des Ultraschall-Schwingers 20 unterscheidet.
Die Hülse 25 schwingt hingegen kaum in Longitudinalrichtung;
die entsprechenden Amplituden betragen nur einen Bruchteil derjenigen
der Transversalschwingungen, beispielsweise im Bereich von 10%.
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Die
Darstellungen in den 2 und 3 sind schematisch,
insbesondere dienen die gezeigten Auslenkungen des Ultraschall-Schwingers 20, der
Hülsenwand sowie der Lager 30 lediglich der Veranschaulichung.
Es wird deutlich, dass der umlaufende Koppelabschnitt 22 in
einem Schwingungsextremum der Transversalschwingungen (entspricht
einem Schwingungsknoten der nicht dargestellten kleinen Longitudinalschwingungen)
befestigt ist. Die Bewegungen des Ultraschall-Schwingers 20 werden
somit mit großer Effektivität auf die Hülse 25 übertragen,
so dass diese mit entsprechend großen Amplituden in Transversalschwingungen
versetzt werden kann.
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Auch
ist aus den 2 und 3 entnehmbar,
dass die Lager 30 auch durch die Schwingungen der Hülse 25 beeinflusst
werden. Jedoch bleibt ihre axiale Lage nahezu unverändert.
Dies liegt insbesondere an der Ankopplung der Radialstege 34 in Schwingungsknoten
der Transversalschwingungen der Hülse 25, wenn
die Radialstege 34 und die Hülse als Striche (neutrale
Fasern) idealisiert werden, wobei sich diese Striche dann in einem
Schwingungsknoten der Transversalschwingungen treffen. Mit anderen
Worten werden die Geometrien der beteiligten Elemente derart gewählt,
dass sich die auf die Lager 30 wirkenden Kräfte
im Wesentlichen aufheben, so dass diese nur im unbedeuteten Maße
mitschwingen.
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Es
hat sich gezeigt, dass die freien Enden 26 der Hülse 25 tatsächlich
nicht mitangekoppelt werden sollten, da ansonsten kaum oder keine
Anregung der Transversalschwingungen möglich ist.
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Mittels
der erfindungsgemäßen Vorrichtung, beispielhaft
an der Ausführungsform der 1 dargestellt,
sind kaum oder keine Rückeinflüsse von der Hülse 25 auf
den Ultraschall-Schwinger 20 festzustellen. Bei einer Nachführung
der elektrischen Leistung sind keine Lasteinflüsse feststellbar.
Wenn also der Ultraschall-Schwinger 20 mit beispielsweise 1500
W betrieben wird, können unterschiedlichste Werkzeuge (s.
unten), die mit der Hülse 25 gekoppelt sind, betrieben
werden, ohne dass eine höhere Leistung dem Ultraschall-Schwinger 20 zugeführt
werden müsste.
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Als
weiterer besonderer Vorteil hat sich gezeigt, dass die Länge
der Hülse
25 dieser und der weiter unten beschriebenen
Vorrichtungen nicht harmonisch auf die erregte bzw. angeregte Transversalschwingung
der Hülse
25 abge stimmt werden müssen,
wie dies im Stand der Technik beschrieben ist (s.
DE 103 43 325 A1 ). Statt
die Hülsenlänge als Vielfaches von λ/2
zu wählen, wird bevorzugt zu beiden Seiten eines Schwingungsknotens
der Transversalschwingung ein Hülsenstück der
Länge x mit x im Bereich von λ/30 bis unterhalb
von λ/2 gewählt, vorzugsweise im Bereich λ/15 < x < λ/5.
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In
der 1a ist schematisch angedeutet, dass die Lager 30 auch
am Außenumfang der Hülse 25 angreifen
können.
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In
den 4–6 ist eine
konkrete Anwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 101 wiedergegeben,
bei der ein axial schwingendes Messer 40 in dem konzentrisch
verlaufenden Rohr 32 eines Lagers 30 angeordnet
ist. Das Lager 30 auf der gegenüberliegenden Seite
der Hülse 25 ist gegenüber der Ausführungsform
der 1 unverändert. Das Messer 40 weist
eine radial umlaufende, vollflächige Scheibe 44 auf,
die hülseninnenseitig jenseits der Radialstege 34 angeordnet
und randseitig an der Innenwand der Hülse 25 befestigt
ist. Der Scheibenrand ist hierbei in einem Schwingungsknoten der Transversalschwingung
der Hülse 25 angeordnet. Von der Scheibe 44 geht
rechtwinklig ein entlang der Hülsenachse verlaufender Stab 42 ab,
an dessen freiem Ende eine Schneidkante 46 angeordnet ist.
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Wird
der Ultraschall-Schwinger 20 der Vorrichtung 101 und
somit die Hülse 25 in Schwingungen versetzt, führt
das Messer 40 die in den 6 und 7 dargestellten
linearen Hin- und Herbewegungen in Axialrichtung der Hülse 25 aus.
Die Ruhestellung der Schneidkante 46 ist hierbei durch
die vertikale Linie S definiert, die von der Schneidkante entsprechend
der Anregung mit hoher Frequenz passiert wird. Bei einer ebenfalls üblichen
Anregung von ca. 35 kHz ist die Schneidfrequenz entsprechend hoch.
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In
den 7–9 ist eine
erfindungsgemäße Vorrichtung 201 mit
einem ebenfalls in Axialrichtung schwingenden Messer 50 dargestellt,
wobei bei dieser Ausführungsform die Hülse 25 nur
einseitig in einem Lager 30 gelagert ist. Auf der anderen
Hülsenseite ist ein Messer 50 vorgesehen, das
wiederum eine Scheibe 54 – befestigt in einem
Schwingungsknoten der Hülsentransversalschwingung – und
einen sich axial nach außen erstreckenden Stab 52 aufweist.
An dessen freiem Ende 56 kann eine Schneidklinge (nicht
dargestellt) mit zwei Schrauben befestigt werden. Eine Anbringung
eines Bohrers oder eines Stempels bzw. eines Prägewerkzeugs sind
ebenfalls möglich.
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In
den 8 und 9 ist die Funktionsweise des
Werkzeugs 50 im Betrieb dargestellt. Der Stab 52 und
damit sein freies Ende schwingen entsprechend der Transversalschwingung
der Hülse 25 in Axialrichtung hin und her, so
dass der Hub von der Schneidklinge (bzw. einem anderen entsprechend endseitig
montierten Werkzeug) ausgenutzt werden kann.
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Die 10 zeigt
schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 301 mit
einem Werkzeug 60, das in Axialrichtung auf der Außenseite
der Hülse 25 verläuft (s. 10a, die eine schematische Darstellung von einer
Stirnseite der Hülse 25 aus gesehen ist). Dieses
Werkzeug 60 kann insbesondere als Schnittkante ausgebildet
sein, aber auch als Schweißkante oder ähnliches.
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In
der schematischen stirnseitigen Ansicht gemäß der 10b ist eine erfindungsgemäße
Vorrichtung 401 dargestellt, bei der um den Außenumfang
umlaufend ein Werkzeug 70 angeordnet ist, dass beispielsweise
ein Prägemuster oder Schweißmuster aufweist. Die
Hülse 25 wird hierbei vorteilhafterweise rotatorisch
angetrieben (Antrieb nicht dargestellt). Mit einem entsprechenden
Prägewerkzeug lassen sich beispielsweise Tapetenmuster
prägen.
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Andere
Anwendungen mit in Drehung versetzten erfindungsgemäßen
Vorrichtungen – ggf. im Zusammenspiel mit Gegenwerkzeugen,
beispielsweise Gegenwalzen – sind selbstverständlich
möglich, z. B. Materialbahnenverfes tigen, Materialbahnenverschweißen
usw. Hierfür eignet sich beispielsweise die Vorrichtung
gemäß der 1.
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In
den 11–18 sind
drei ähnliche Vorrichtungen 501, 601 bzw. 701 dargestellt,
bei denen am Außenumfang der Hülse 25 Piezowandler-Einrichtungen 80 auf
Schwingungsbäuche der Hülsentransversalschwingung
aufgesetzt sind, beispielsweise aufgeklebt oder aufgeschraubt. Die 11 und 11a sind hierbei lediglich Prinzipskizzen zur
Verdeutlichung der Wirkungsweise, wobei 11a eine schematische
stirnseitige Darstellung ist. Die einzelnen Piezowandler 81 der
Piezowandler-Einrichtungen 80 (jeweils sechs übereinander
angeordnete Piezowandler 81 bei der Vorrichtung 601,
jeweils zwei bei der Vorrichtung 701, wobei die jeweiligen
elektrischen Leitungen der Piezowandler der Einfachheit nicht dargestellt
sind) werden entsprechend der Transversalschwingungen der Hülse 25 gestaucht und
gestreckt und wandeln hierbei die mechanische Energie in elektrische
Energie um (die einem Fachmann bekannte Lagerung der Piezowandler-Einrichtungen 80 an
ihren freien Enden ist hier der Einfachheit halber nicht dargestellt).
Bei der Vorrichtung 501 sind zwei Piezowandler-Einrichtungen 80 vorgesehen,
bei der Vorrichtung 601 vier und bei der Vorrichtung 701 zwanzig.
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Da
wie oben wiederholt beschrieben keine leistungsmindernde Rückwirkung
durch die mit der Hülse 25 gekoppelten Werkzeuge
bzw. sonstigen Elemente auf den Ultraschall-Schwinger 20 auftritt, erzeugen
die einzelnen Piezowandler 81 in den drei Vorrichtungen 501, 601, 701 (bei
ansonsten gleich bleibenden Bedingungen, wie Geometrien, Leistungszuführung
usw.) jeweils im Wesentlichen gleich große elektrische
Energien. Dies bedeutet, dass überraschenderweise und aus
noch nicht verstandenen Gründen prinzipiell elektrische
Energie erhalten werden kann, welche diejenige der aufgewandten Leistung
zur Schwingungsanregung des Ultraschall-Schwingers 20 übersteigen
kann.
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In
den 13–15 sind
zwischen den jeweils sechs übereinander angeordneten Piezowandlern 81 und
der Hülse 25 1:1-Zwischenstücke 82 (geben
die mechanischen Schwingungen eins zu eins weiter) aus Stahl angeordnet,
welche mittels Zapfen 88 in Sackbohrungen 89 der
Hülse 25 befestigt sind. Auf die Zwischenstücke 82 sind
trompetenförmige Mittelstücke 83 mit
einer Axialbohrung aufgesteckt, auf die wiederum die Piezowandler 81 übereinander gestapelt
werden. Auf den jeweils obersten Piezowandler 81 ist ein
Gegenstück 84, das ebenfalls eine Axialbohrung
aufweist, aufgesetzt. Das Gegenstück 84, die Piezowandler 81 und
das Mittelstück 83 sind mittels einer Schraube 85 miteinander
verbunden. Des Weiteren sind mehrere in Längsrichtung der
Hülse 25 beabstandete Sackbohrungen 89 vorhanden, um
Piezowandler-Einrichtungen 80 an verschiedenen Stellen
der Hülse 25, d. h. an unterschiedlichen Schwingungsbäuchen
der Hülsentransversalschwingung, anzuordnen. Zudem sind
insgesamt vier Reihen solcher Piezowandler-Einrichtungen 80 um
90° versetzt um den Umfang der Hülse 25 angeordnet, wobei
jeweils vier Piezowandler-Einrichtungen 80 auf einem gemeinsamen,
am Hülsenumfang auf gleicher Axialhöhe entstehenden
Transversalschwingungsbauch angeordnet sind.
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Gemäß den 16–18 sind
auf der Hülse 25 der Vorrichtung 701,
die ansonsten mit derjenigen der 13–15 identisch
ist, insgesamt zwanzig Piezowandler-Einrichtungen 80 befestigt, beispielsweise
aufgeschraubt. Die Piezowandler-Einrichtungen 80 weisen
jeweils zwei Piezowandler 81 auf, die zwischen einem relativ
kurzen Zwischenstück 82 und einem von oben aufgesetzten
Gegenstück 84 angeordnet sind. Zwischenstück 82,
Piezowandler 81 und Gegenstück 84 weisen
miteinander fluchtende Durchgangsbohrungen auf, durch die jeweils
eine Schraube 87 geführt ist, deren freies Ende
in eine der Sackbohrungen 89 eingeschraubt ist.
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Die
Zwischenstücke 82 der Vorrichtungen 601, 701 dienen
der Übertragung der mechanischen Schwingungen von der Hülse 25 auf
die Piezowandler 81. Da die Hülse 25 eine
kreisförmige Außenkontur aufweist, die Piezowandler 81 hingegen
eine ebene Druckfläche besitzen, nehmen die Zwischenstücke 82 die
Schwingungen der Hülse 25 auf und geben sie in
Radialrichtung an die Piezowandler 81 ab. Durch die flächige
Anlage der Zwischenstücke 82 an die Piezowandler 81 werden
diese gleichmäßig über ihre Druckfläche
be- und entlastet.
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Es
ist auch eine räumlich versetzte Anordnung der Piezowandler-Einrichtungen 80 möglich. Statt
kreisförmiger Zwischenstücke 82 und Gegenstücke 84 sind
auch solche mit eckiger Grundfläche möglich. Die
von den Piezowandlern 81 erzeugte elektrische Energie wird
vorteilhafterweise abgegriffen, ohne dass die Hülse 25 als
elektrische Masseleitung dient.
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In
den 19–21 ist
eine Vorrichtung 801 dargestellt, mit der eine Flüssigkeit,
insbesondere Wasser, erwärmt bzw. erhitzt werden kann.
Es hat sich gezeigt, dass die Energieübertragung bzw. Energieumwandlung
von mechanischer Schwingungsenergie in thermische Energie sehr effizient
ist. Bei der Vorrichtung 801 gemäß der 19–21 ist
ein Koppelstück 90 in der Hülse 25 angeordnet,
welches ein längliches zylinderförmiges Mittelteil 92 aufweist. An
einem freien Ende des Mittelteils 92 ist ein umlaufender
Radialsteg 94 vorgesehen, der seinerseits am Innenumfang
der Hülse 25 befestigt ist, beispielsweise mittels
eines Schrumpfsitzes. Das andere freie Ende des Koppelstücks 90 ragt
aus der Hülse 25 hinaus, um dort über
eine Zapfenverbindung – ggf. mittels Schrumpfsitz oder
Verschweißung oder Verschraubung usw. – mit einem
Hohlkörper 95 aus Messing oder einem anderen geeigneten,
gut die Wärme leitenden Metall verbunden zu sein. Der Hohlkörper 95 besteht
vorliegend aus einem Messingrohr mit auf beiden Seiten aufgesetzten
Messingdeckeln. Oberseitig ist ein Zulaufstutzen 91 und
ein Ablaufstutzen 92 vorgesehen, um kaltes Wasser zu- und
erwärmtes Wasser abzuleiten. Die Schwingungen von der Hülse 25 werden über
das Koppelstück 90 und die Zapfenverbindung auf
den Hohlkörper 95 übertragen, der wiederum
in Schwingungen versetzt wird, welche das darin befindliche Wasser
erwär men. Die Vorrichtung 801 kann insbesondere
als Durchlauferhitzer verwendet werden.
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Es
hat sich auch bei der Vorrichtung 801 herausgestellt, dass
keine Abstimmung des Hohlkörpers 95 auf die Schwingungen
der Hülse 25 notwendig ist.
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Prinzipiell
lassen sich mit einer Vorrichtung, die derjenigen der 19–21 entspricht,
beliebige Medien erhitzen.
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In
den 22 und 23 ist
eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt.
Bei dieser Vorrichtung 901 ist explizit eine Spannungsversorgung 10 für
einen Ultraschallkonverter 12 dargestellt, an den wiederum
ein optionales Amplitudentransformationsstück 14 bzw.
Booster angeschlossen ist. Es können beispielsweise auch
zwei hintereinander geschaltete Amplitudentransformationsstücke 14 vorgesehen
sein. An das Amplitudentransformationsstück 14 ist
ein Ultraschall-Schwinger 120 mit einem runden Querschnitt
in Form eines Stirn- oder Koppelzapfens angesetzt. Am Umfang des
Ultraschall-Schwingers 120 ist – in Axialrichtung
mittig angeordnet – eine rohrförmige Hülse 125 über
einen Koppelabschnitt 122 befestigt. Dieser ist vorliegend als
Steg bzw. Kragen ausgebildet, der eine an der Stirnseite der Hülse 125 nach
innen gerichtete, vollständig umlaufende Abkröpfung
darstellt. Der stegförmige Koppelabschnitt 122 ist
mit seiner Stirnfläche auf dem Ultraschall-Schwinger 120 aufgeschrumpft und/oder
aufgepresst. Der Innendurchmesser der Hülse 125 ist
derart gewählt, dass zwischen der Hülseninnenwand
und der Außenwand des Ultraschall-Schwingers 20 ein
Spalt 29 vorhanden ist, s. a. 23.
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Die
Hülse 125 ist bevorzugt aus Stahl, der eine hohe
Festigkeit und einen geringen Abrieb aufweist.
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Die
Kontaktfläche des Koppelabschnitts 122 von Hülse 125 und
Ultraschall-Schwinger 120 ist im Vergleich zur Länge
des Ultraschall-Schwingers 120 klein gewählt.
Nur über diesen schmalen Bereich wird die Hülse 125 zu
Schwingungen angeregt. Bei größerer Kontaktfläche
hingegen übernähme die Hülse 125 die
Anregungsfrequenz des Ultraschall-Schwingers 120, wie dies
aus dem Stand der Technik bekannt ist.
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Bei
einem von Erfinderseite durchgeführten Experiment entsprechend
der Ausführungsform gemäß der 22 und 23 betrug
der Durchmesser des Ultraschall-Schwingers 120 ca. 140
mm und ihre Länge (entsprechend λ/2) ca. 100 mm.
Die Stahlhülse 125 wies einen Außendurchmesser
von 150 mm und eine Wanddicke von 5 mm auf. Die Höhe des Koppelabschnitts 122,
der einstückig an der Hülse 125 angeformt
war, lag ebenfalls bei 5 mm. Aufgrund der genannten Dimensionierung
belief sich die Breite des Spalts 29 auf 5 mm. Es ist allerdings
nur erforderlich, dass sich Ultraschall-Schwinger 120 und
Hülse 125 im Betrieb nicht berühren, so dass auch
eine geringere Spaltbreite in den meisten Fällen genügen sollte.
Die Hülse 125 wurde in Wasser mit Verunreinigungen
gehalten. Bei einer Anregungsfrequenz von ca. 20 kHz seitens des
Ultraschall-Schwingers 120 wurden durch die Verunreinigungen
sichtbare Knoten im Abstand von 28 mm gemessen.
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Die
Länge der Hülse 125 kann unabhängig von
der Anregungsfrequenz des Ultraschall-Schwingers 120 gewählt
werden. Die Hülsenlänge muss demnach insbesondere
kein Vielfaches von λ/2 betragen, da die Schwingungsfrequenz
der Hülse 125 nicht die Schwingungsfrequenz des
Ultraschall-Schwingers 120 annimmt.
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Wie
weiterhin der 22 zu entnehmen ist, ist zwischen
dem Amplitudentransformationsstück 14 und dem
Ultraschall-Schwinger 20 ein Radiallager 130 vorgesehen,
mittels dessen die gesamte Vorrichtung 901 in Rotation
versetzt werden kann.
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Die
Vorrichtungen gemäß den 1–3 sowie 22, 23 können
beispielsweise zum Ultraschallreinigen in Flüssigkeiten,
zum Erhitzen von Flüssigkeiten, zum Filtrieren oder Ähnlichem
eingesetzt werden. Hierbei kann eine Lagerung in den Radiallagern 30 bzw. 130 zweckmäßig
sein.
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In
der 24 ist eine weitere Ausführungsform der
Erfindung dargestellt. Bei dieser sind an beiden Enden der Hülse 125 Ultraschall-Schwinger 120 mit
zugehörigem Amplitudentransformationsstück 14,
Ultraschallkonverter 12 und Spannungsversorgung 10 sowie
Radiallager 130 vorgesehen. Somit kann die Hülse 125 von
ihren beiden Stirnseiten her in Schwingung versetzt werden. Hierbei
ist eine Abstimmung der Hülsenlänge auf die Schwingungsfrequenz
der Hülse 125 und/oder eine phasenversetzte Einkopplung
zweckmäßig.
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Die
Vorrichtung der 24 ist insbesondere dafür
geeignet, dass parallel zur Hülse 125 ein Gegendruckwerkzeug,
insbesondere eine Gegendruckwalze (nicht dargestellt) angeordnet
ist, um beispielsweise zwei oder mehr Materialbahnen mittels der
erfindungsgemäßen Vorrichtung 1001 und
der Gegendruckwalze zu einer Materialbahn zu verschweißen. Auch
sind Schneidmesser oder Prägeprofilierungen auf der Hülse 125 oder
der Gegendruckwalze möglich, um beispielsweise Materialbahnen
zu schneiden oder mit einem Muster zu prägen, beispielsweise Wellpappe
oder Tapeten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1001 sowie
die Gegendruckwalze können beide mittels Motoren angetrieben
werden. Alternativ wird eine von beiden durch die andere geschleppt.
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Wenn
als Material für die Hülse 125 ein Stahl gewählt
wird, ist die Durchbiegung der Hülse 125 bei Radialbelastung
relativ klein, so dass bisher nicht erreichte große Hülsenlängen
realisiert werden können. Außerdem ist die Lebensdauer
bzw. Einsatzdauer einer Stahlhülse gegenüber solchen
aus Aluminium oder Titan aufgrund des kleinen Abriebs erhöht.
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Bei
allen dargestellten Vorrichtungen 1, 101, 201 usw.
können sich jedoch auch Anwendungsfälle ergeben,
bei denen Aluminium oder Titan als Hülsenmaterial eingesetzt
werden kann. Andererseits kann für eine Erhöhung
der Härte auch Karbid auf eine Hülse 25, 125 aus
Stahl aufgebracht werden.
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Die
relativen Größenverhältnisse der einzelnen
Elemente bei den dargestellten Vorrichtungen 1, 101, 201 usw.
sind im Übrigen nur näherungsweise dargestellt.
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Die
Erfindung wurde anhand einiger Ausführungsbeispiele näher
erläutert. Abwandlungen der Erfindung im Rahmen der Ansprüche
sind ohne weiteres möglich. So kann beispielsweise die
Art der Ankopplung der Hülse an den Ultraschall-Schwinger
variiert werden. Auch die Hülse selbst kann unterschiedliche
Formen und Querschnitte aufweisen, die zudem nicht homogen bzw.
einheitlich über deren Länge sein müssen.
Auch die beschriebenen Einsatzgebiete sind nicht abschließend
aufgezählt. So ist es beispielsweise möglich,
mit den vorgestellten bzw. dem Prinzip nach ähnlich arbeitenden
Vorrichtungen die elektrische Energie zum Antrieb von Fahrzeugen
jeglicher Art zu erhalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10343325
A1 [0003, 0007, 0019, 0021, 0087]