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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Bearbeiten von Borstenfilamenten, insbesondere einer Zahnbürste,
Interdentalbürste, Haarbürste oder dergleichen
Bürste, eines Pinsel oder Besens.
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Derartige
Verfahren und Vorrichtungen sind in zahlreichen Ausführungen
bekannt, beispielsweise wie in der
DE 196 39 453 A1 oder der
DE 41 38 777 A1 beschrieben.
Dabei werden die Borstenfilamente durch Schleifscheiben, Schleifbänder
oder Schleifwalzen mechanisch beaufschlagt und dadurch abgerundet.
Die Filamente werden in eine Taumelbewegung versetzt, wodurch sich
bei gerade geschnittenen Filamenten eine gleichmäßig
geformte Kuppe bildet. Dieser Schleifvorgang wird bei den vorbekannten
Verfahren umso schwieriger, je tiefer oder steiler die in die Borstenfilamente
eingebrachten Schnittformen sind. Beispielsweise wird ein in einem spitzen
Winkel abgeschnittenes Filament nur mit einer elliptischen Verrundung
versehen. Wenn der Schneidfräser zum Ablängen
der Borstenfilamente nicht präzise eingestellt ist und
dadurch schräge Schnittkanten entstehen oder wenn der Schneidfräser
stumpf wird, können an den Filamenten Quetschfahnen oder
Brauen entstehen, die beim anschließenden Schleifen nicht
entfernt, sondern zu nicht entfernbaren Flusen geschliffen werden.
Bedingt durch die unterschiedlichen Filamentlängen in profilierten Borstenfeldern
und somit unterschiedliche Taumelradien beim Schleifen können
an den Filamentenden unterschiedlich ausgeformte Rundungen entstehen.
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Es
besteht daher die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung der
eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Enden aller Borstenfilamente gleichmäßig,
kuppenartig abgerundet werden können.
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Die
erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe
besteht hinsichtlich des Verfahrens darin, dass die Borstenfilamente
an ihren freien Enden beaufschlagt und mittels Ultraschallwellen
in Schwingung versetzt werden. Durch die Beaufschlagung in Verbindung
mit der Ultraschallschwingung der Borstenfilamente werden diese
an ihren freien Enden abgerundet.
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Das
Abrunden kann insbesondere dadurch erfolgen, dass die Borstenfilamente
durch die Beaufschlagung in Schwingungen versetzt und durch die damit
verbundene Energiezufuhr erhitzt und angeschmolzen werden. Das freie
Ende eines Borstenfilamentes wird dabei entsprechend der Kontur
des beaufschlagenden Elementes verformt. Dabei werden eventuelle
schräge Schnittkanten oder Quetschfahnen beseitigt, so
dass jedes einzelne Borstenfilament an seinem freien Ende die gewünschten
Eigenschaften aufweist.
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Zusätzlich
oder alternativ zum Erhitzen und Anschmelzen können die
Borstenfilamente durch die Beaufschlagung und die Schwingbewegung
mechanisch bearbeitet werden. Dadurch ergibt sich eine Schleifbearbeitung,
mit der die freien Enden der Borstenfilamente ebenfalls in eine
gewünschte Form gebracht werden können.
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Damit
jedes einzelne Borstenfilament gleichartig bearbeitet wird und insbesondere
beim Anschmelzen der Filamente vermieden ist, dass mehrere Borstenfilamente
aneinanderhaften ist es zweckmäßig, wenn die freien
Enden der Borstenfilamente einzeln in Vertiefungen einer Sonotrode
als Beaufschlagungselement eingeführt werden. Jedes einzelne
Borstenfilament ist dabei in einer eigenen Vertiefung geführt
und auf Abstand zu benachbarten Borstenfilamenten gehalten, so dass
ein Verkleben mehrerer Borstenfilamente miteinander vermieden ist
und die freien Enden der Filamente jeweils gleichförmig beaufschlagt
werden. Die Sonotrode kann dabei insbesondere gleich viele oder
mehr Vertiefungen aufweisen, als die zu bearbeitende Bürste
Borstenfilamente hat.
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Hinsichtlich
der Vorrichtung ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass eine
mit einem Ultraschallwellengenerator gekoppelte Sonotrode zur Beaufschlagung
der Borstenfilamente und zum Übertragen der Ultraschallschwingungen
auf die Borstenfilamente vorgesehen ist.
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Dabei
ergeben sich die bereits bei der Erläuterung des erfindungsgemäßen
Verfahrens beschriebenen Vorteile. Durch die Beaufschlagung in Verbindung
mit der hochfrequenten Ultraschallschwingung werden die freien Enden
der Borstenfilamente thermisch und/oder mechanisch verformt und
abgerundet.
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Für
eine optimale Übertragung der Ultraschallschwingungen von
der Sonotrode auf die Borstenfilamente muss die Schwingungsrichtung
der Längsrichtung der Borstenfilamente entsprechen. Zur
Bearbeitung von Borstenfeldern mit in unterschiedlichen Winkelstellungen
angeordneten Borstenfilamenten, beispielsweise Zahnbürsten
mit schräg angeordneten, seitlichen Bors tenbündeln,
ist es zweckmäßig, wenn mehrere Sonotroden zur
Beaufschlagung von in unterschiedlichen Winkelstellungen an einem
Borstenträger angeordneten Borstenfilamenten vorgesehen
sind. Die einzelnen Sonotroden sind dann hinsichtlich ihrer Ausrichtung
an die jeweiligen Borstenfilamente angepasst und optimiert. Je nach
Art des zu bearbeitenden Borstenfeldes können die unterschiedlichen
Borstenbereiche gleichzeitig bearbeitet und von den Sonotroden beaufschlagt werden,
oder die verschiedenen Sonotroden werden nacheinander angefahren,
wobei die Sonotroden an einer gemeinsamen Bearbeitungsstation oder
an einer entsprechenden Anzahl einander nachgeordneter Bearbeitungsstationen
jeweils für sich angeordnet sein können.
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Alternativ
können zur Beaufschlagung von in unterschiedlichen Winkelstellungen
an einem Borstenträger angeordneten Borstenfilamenten die
Sonotrode und der Borstenträger bezüglich ihrer
Winkelstellung relativ zueinander verstellbar sein. Dies ist insbesondere
bei der Bearbeitung von runden Bürsten wie Interdental-
oder Haarbürsten zweckmäßig, bei denen
die Borstenfilamente in zahlreichen unterschiedlichen Winkelstellungen
angeordnet sind. Die zu bearbeitende Bürste kann beispielsweise
vor der Sonotrode drehbar gelagert sein, um die über den Umfang
der Bürste verteilt angeordneten Borstenfilamente in optimaler
Ausrichtung an die Sonotrode führen zu können.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Sonotrode(n)
an ihrer Beaufschlagungsseite Vertiefungen zur Aufnahme des freien
Endes jeweils eines Borstenfilamentes aufweist (aufweisen). Dadurch
ist jedes Borstenfilament während der Bearbeitung einzeln
gehalten und ein Verbinden mehrerer Borstenfilamente miteinander
beim Anschmelzen ist vermieden. Zudem wird jedes einzelne Borstenfilament
beim An schmelzen entsprechend der Kontur der Vertiefung verformt,
so dass alle Borstenfilamente nach der Bearbeitung gleichartig ausgebildet
sind.
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Die
Vertiefungen können dazu insbesondere wannenartig ausgebildet
sein, so dass die freien Filament-Enden einerseits sicher darin
geführt sind und andererseits in eine gewünschte,
abgerundete Form gebracht werden. Die Vertiefungen können
zudem in ihrem Durchmesser an die jeweiligen zu bearbeitenden Borstenfilamente
angepasst sein.
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Eine
Sonotrode kann dabei insbesondere gleich viele oder mehr Vertiefungen
aufweisen, als die zu bearbeitende Bürste Borstenfilamente
hat.
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Um
sicherzustellen, dass jedes Borstenfilament in eine Vertiefung eindringt,
können die Vertiefungen scharfkantig umrandet sein, wobei
die Ränder zwischen benachbarten Vertiefungen auch leicht gerundet
sein können, damit kein Borstenfilament auf einem solchen
Rand aufsteht, sondern in eine Vertiefung gleitet.
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Es
ist zweckmäßig, wenn die Sonotrode(n) und die
Borstenfilamente in Längsrichtung der Borstenfilamente
relativ zueinander positionierbar sind. Somit können die
Borstenfilamente nach einer ersten Bearbeitung auf Abstand zu der
Sonotrode gebracht und anschließend erneut einander zur
Beaufschlagung angenähert werden. Sollte bei der ersten
Bearbeitung ein Borstenfilament doch auf einem Randbereich zwischen
zwei Vertiefungen aufgesetzt haben und dabei umgebogen worden sein,
so wird ein solches Borstenfilament beim erneuten Annähern
der Borstenfilamente und der Sonotrode mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit
den Weg in eine Vertiefung finden und dann bei der folgenden Bearbeitung
in gewünschter Weise gerundet werden. Gegebenenfalls kann
eine Fein-Positionierung in Längsrichtung der Borstenfilamente
auch während der Bearbeitung stattfinden.
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Um
die Vorrichtung an unterschiedliche, insbesondere unterschiedlich
lange Borstenfilamente anzupassen und die Bearbeitungsergebnisse
zu optimieren, indem die unterschiedlichen Borstenfilamente jeweils
mit ihrer Resonanzfrequenz angeregt werden, ist es zweckmäßig,
wenn der Ultraschallwellengenarator eine Steuereinrichtung zur Einstellung der
Schwingungsfrequenz und/oder des Schwingungshubs aufweist.
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Es
kann vorteilhaft sein, wenn die Sonotrode(n) beaufschlagungsseitig
einen abrasiven Belag zum Schleifen der Borstenfilamente aufweist
(aufweisen). Neben der thermischen Umformung der Filament-Enden
kann so eine mechanische Bearbeitung der Borstenfilamente erfolgen.
Der abrasive Belag kann beispielsweise aus aufgenickeltem Diamant, Saphir
oder Rubin bestehen. Je nach Art und Verwendungszweck der zu bearbeitenden
Borstenfilamente kann dadurch auf separate, nachgeordnete Schleifeinrichtungen
verzichtet werden, wodurch eine besonders schnelle und einfache
Filamentbearbeitung möglich ist.
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Um
bei der Bearbeitung von profilierten Borstenfeldern, beispielsweise
einer Zahnbürste, alle Borstenfilamente zeitgleich und
gleichartig mit der Sonotrode beaufschlagen zu können ist
es zweckmäßig, wenn die Sonotrode(n) beaufschlagungsseitig
jeweils komplementär zur Profilierung des zu bearbeitenden
Borstenfelds geformt sind.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die Sonotrode(n)
aus porösem Edelstahl bestehen. Die Porösität
bewirkt in den wannenartigen Vertiefungen eine Mikrorauheit, wodurch
die Borstenfilamente besser in den einzelnen Vertiefungen gehalten werden.
Zudem bewirkt die Porösität in der Sonotrode einen
Mikro-Luftzug, wodurch eine schnellere Abküh lung der Borstenfilamente
erreicht wird und die Bearbeitungsdauer verkürzt werden
kann.
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Um
die Vorrichtung schnell und einfach an unterschiedliche zu bearbeitende
Borstenfilamente und Borstenfelder anpassen zu können,
ist es zweckmäßig, wenn die Sonotrode(n) jeweils
lösbar an einem Trägerelement gehalten sind.
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Gegebenenfalls
kann der Bearbeitung durch die Sonotrode(n) eine herkömmliche
Schleifbearbeitung an wenigstens einer Schleifstation nachgeordnet
sein, um eine gewünschte Form der freien Filament-Enden
zu erzielen. Durch die thermische Bearbeitung können beispielsweise
tropfen- oder pilzförmige Filament-Enden gebildet werden.
Wenn dies für das fertige Produkt nicht gewünscht
ist, können die Filament-Enden an einer zusätzlichen
Schleifstation in die gewünschte Form geschliffen werden.
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Nachstehend
ist die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigt in schematischer Darstellung:
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1 einen
Bürstenkopf mit einem von einer Sonotrode beaufschlagten
Borstenfeld,
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2 eine
vergrößerte Detaildarstellung mit von der Sonotrode
beaufschlagten Borstenfilamenten,
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3 eine
Darstellung entsprechend 1 mit einer einen abrasiven
Belag aufweisenden Sonotrode,
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4 ein
Borstenfilament in verschiedenen Bearbeitungs-Stufen und
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5 ein
Borstenfilament vor und nach der Bearbeitung mit Verfahren und Vorrichtungen
gemäß dem Stand der Technik.
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Borstenfilamente
werden üblicherweise an ihren freien Enden mittels Schleifeinrichtungen
bearbeitet und abgerundet, um eine gewünschte Form und
Oberflächenstruktur zu erzielen. Dies ist insbesondere
bei Zahnbürsten wichtig, um Verletzungen bei der Benutzung
der Bürste zu vermeiden. Wenn ein Borstenfilament 7a wie
in 5 dargestellt jedoch schräg abgeschnitten
wurde, beispielsweise durch eine schlecht eingestellte Schneidvorrichtung oder
eine stumpfe Schneide, so wird das Borstenfilament 7b auch
nach dem Schleifen eine entsprechende Kontur aufweisen und nicht
wie gewünscht eine gleichmäßig abgerundete
Kuppe.
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Um
dieses Problem zu lösen, weist eine erfindungsgemäße
Vorrichtung zum Bearbeiten von Borstenfilamenten gemäß 1 eine
Sonotrode 1 zur Beaufschlagung der freien Enden von in
Borstenbündeln 4 an einem Borstenträger 3 gehaltenen Borstenfilamenten 2 (2)
auf. Die Sonotrode 1 ist mit einem nicht dargestellten
Ultraschallwellengenerator gekoppelt, um die Sonotrode 1 sowie
die von ihr beaufschlagten Borstenfilamente 2 in Ultraschallschwingungen
zu versetzen. Durch die damit verbundene Energiezufuhr in Verbindung
mit der mechanischen Beaufschlagung werden die freien Enden der Borstenfilamente 2 erwärmt
und angeschmolzen.
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Wie
in der Detaildarstellung gemäß 2 des
in 1 eingekreisten und mit II bezeichneten Bereichs
zu erkennen ist, weist die Sonotrode 1 an ihrer Beaufschlagungsseite
Vertiefungen 5 zur Aufnahme des freien Endes jeweils eines
Borstenfilamentes 2 auf. Dadurch ist jedes einzelne Borsten filament 2 in
einer eigenen Vertiefung 5 angeordnet und dadurch auch
auf Abstand zu einem benachbarten Borstenfilament 2 gehalten,
so dass ein Verbinden von benachbarten Borstenfilamenten 2 miteinander sicher
vermieden ist. Durch die Ultraschallschwingungen in Verbindung mit
der mechanischen Beaufschlagung erwärmen sich die Borstenfilamente 2 und werden
entsprechend der Außenkontur der wannenartigen Vertiefungen 5 verformt.
Dabei spielt die Ausgangsform des Borstenfilamentes keine Rolle,
so dass auch ein Borstenfilament 8a (4),
das schräg abgeschnitten wurde, an seinem freien Ende zu
einer gleichmäßigen Kuppe gemäß dem
Borstenfilament 8b umgeformt wird. Falls pilzförmige
Enden der Borstenfilamente wie bei dem Borstenfilament 8b gemäß 4 nicht
gewünscht sind, können die Borstenfilamente nach
dem Anschmelzen durch die Sonotrode 1 auch an herkömmlichen,
nicht dargestellten Schleifeinrichtungen nachbearbeitet werden,
um beispielsweise konisch abgerundete Borstenfilamente 8c zu
erreichen.
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Die
Sonotrode 1 gemäß 1 und 3 ist jeweils
komplementär zur Profilierung des an dem Borstenträger 3 angeordneten
Borstenfeldes 9 ausgebildet, so dass alle Borstenfilamente 2,
unabhängig von ihrer jeweiligen Länge, gleichförmig
beaufschlagt werden können.
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Die
Sonotrode 1 und die an dem Borstenträger 3 gehaltenen
Borstenfilamente 2 sind in Längsrichtung der Borstenfilamente 2 relativ
zueinander positionierbar. Während der Bearbeitung kann
die Sonotrode 1 ein- oder mehrmals von den Borstenfilamenten 2 beabstandet
und neu aufgesetzt werden, insbesondere um sicherzustellen, dass
jedes der Borstenfilamente 2 in eine der Vertiefungen 5 (2) eingreift.
Wenn ein Borstenfilament 2 bei einer ersten Beaufschlagung
durch die Sonotrode 1 zunächst auf einem Randbereich 10 zwischen
zwei Vertiefungen 5 aufsitzt und dabei umgebogen und daher
nicht in der gewünschten Weise angeschmolzen wird, so wird
ein solches Borstenfilament 2 bei einer erneuten Beaufschlagung
mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit den Weg in eine der Vertiefungen 5 finden,
so dass am Ende des Bearbeitungsvorganges alle Borstenfilamente 2 in
der gewünschten Weise umgeformt sind.
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Die
Sonotrode 1 gemäß 3 weist
beaufschlagungsseitig einen abrasiven Belag 6 zum Schleifen
der Borstenfilamente 2 auf. Neben der thermischen Umformung
der Borstenfilamente 2 werden diese dadurch gleichzeitig
mechanisch geschliffen, wodurch gegebenenfalls auf separate, nachgeordnete
Schleifeinrichtungen verzichtet werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19639453
A1 [0002]
- - DE 4138777 A1 [0002]