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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen von Bürsten, insbesondere Zahnbürsten, die mehrere zu Borstenbüscheln zusammengefasste Filamente haben, wobei zumindest ein Büschelträger vorhanden ist, der mehrere Löcher zum Einschieben der Borstenbüschel hat, deren Lochbild dem Büschelmuster der herzustellenden Bürste entspricht, und mit einer Schweißvorrichtung, die die Filamente von in den Büschelträger eingeschobenen Büscheln miteinander verschweißt.
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Es gibt dem Grunde nach zwei verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zum Herstellen von Bürsten, insbesondere Zahnbürsten. Die erste Methode und die erste Vorrichtung arbeiten mit sogenannten Ankern. Dies sind kleine Metallplättchen, welche gefaltete Borstenbüschel im Bürstenkopf verankern. Die Anker werden sozusagen in den Bürstenkopf, am Rand der vorhandenen Öffnungen im Bürstenkopf eingedrückt. Das zweite Verfahren und die zweite Vorrichtung arbeiten ankerlos (zum Beispiel sogenanntes AFT-Verfahren). Hierbei werden die Borstenbüschel üblicherweise, was jedoch nicht zwingend der Fall sein muss, nicht gefaltet und ohne Zusatzelement am Bürstenkopf fixiert. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein Büschelträger, der ein Lochbild hat, das dem späteren Büschelmuster der fertigen Bürste entspricht, mit Borstenbüscheln durch Stopfen befüllt wird. Rückseitig des Büschelträgers werden dann die Filamente entweder jeweils eines einzigen Büschels oder aller Büschel miteinander verschweißt. Dieses Verschweißen erfolgt üblicherweise dadurch, dass ein heißer Stempel gegen die rückseitig gegenüber dem Büschelträger vorstehenden Filamente gepresst wird. Der Büschelträger ist zum Beispiel eine Halteplatte, die nach dem Verschweißen der Filamente mit dem Bürstenkörper durch erneutes Verschweißen, Verkleben oder über Steckverbindungen etc. verbunden wird. Alternativ kann natürlich auch direkt in den Bürstenkopf, der bereits einstückig mit dem Stiel verbunden ist, gestopft werden und rückseitig des Bürstenkopfes die Filamente miteinander verschweißt werden. Anschließend wird beispielsweise eine Art Deckel rückseitig an den Bürstenkopf angespritzt, angeschweißt oder angeklebt. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die miteinander verschweißten Filamente zu umspritzen, sodass sie formschlüssig in den angespritzten Bürstenkopf oder die angespritzte Halteplatte eingebettet sind. Nach dieser letzten Möglichkeit kann der vorgenannte Büschelträger direkt ein Kopfeinsatz eines Spritzgießwerkzeugs (zum Beispiel eine sogenannte Lochplatte) sein, d.h. der Büschelträger ist nicht Teil der endgültigen Bürste.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zu schaffen, mit denen Bürsten ankerlos hergestellt werden können.
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Die Erfindung schafft eine Vorrichtung, welche bei sämtlichen der oben vorgestellten Vorrichtungen und Verfahren, die nach dem ankerlosen Prinzip arbeiten, angewandt werden kann.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung nach der eingangs genannten Art ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißvorrichtung eine Ultraschallschweißvorrichtung ist.
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Über Ultraschallschweißen werden somit die Filamente zumindest eines Borstenbüschels oder, alternativ, Filamente auch benachbarter Borstenbüschel, miteinander zu einer Einheit verschweißt.
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Der Vorteil des Ultraschallverfahrens liegt unter anderem darin, dass geringere Energiemengen aufgebracht werden müssen und die Verschweißung der Filamente sehr „sauber“ erfolgt, das heißt, ohne dass große Mengen flüssiges Thermoplast entstehen.
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Die Schweißvorrichtung nach der Erfindung hat vorzugsweise eine Sonotrode, die an den rückseitigen Filamentenden anliegt, um sie zu verschweißen. Die Sonotrode bewegt sich also relativ zu den Filamenten, sodass zwischen den Enden der Filamente und der Oberfläche der Sonotrode oder eines mit der Sonotrode gekoppelten und damit mit der Sonotrode bewegten Teils Reibung entsteht. Über die Reibung kommt es dann zur Erwärmung und zum Verschweißen der Filamente.
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Natürlich wäre es auch möglich, den Büschelträger zu bewegen und damit die Filamente relativ zu einer feststehenden Platte, die die Filamentenden kontaktiert, anzutreiben und damit die Reibung zu erzeugen.
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Vorzugsweise hat die Schweißvorrichtung eine Sonotrode, die beim Schweißen in einer Richtung oder Ebene hin- und herbewegt wird, wobei die Bewegung eine (von Null abweichende) Bewegungskomponente besitzt, die quer zu der Längsachse der Filamente verläuft. Bei Versuchen hat sich herausgestellt, dass ein Bewegen der Sonotrode in Längsrichtung der Filamente zwar zu guten Schweißergebnissen führt, die Filamente aufgrund der Längsbewegung aber innerhalb des Büschels sehr stark zueinander bewegt werden. Die verschweißten Filamente sind damit nach dem Schweißvorgang nicht sauber parallel und nebeneinander ausgerichtet. Um keine Nachbearbeitung vornehmen zu müssen, hat es sich als sehr vorteilhaft herausgestellt, wenn eine Hin- und Herbewegung der Sonotrode relativ zu den Filamenten erzeugt wird, die eine Querkomponente aufweist.
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Diese Querkomponente sollte mindestens 80°, vorzugsweise sogar 90° zur Längsachse der Filamente beim Schweißen ausgerichtet sein. Die senkrechte Ausrichtung zur Längsachse der Filamente hat sich dabei als besonders vorteilhaft herauskristallisiert, da hier keine „Unordnung“ in die Ausrichtung der Filamente eines Borstenbüschels gebracht wird.
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Der Büschelträger kann eine Halteplatte sein, die ein Teil der fertigen Bürste ist (zum Beispiel ein sogenanntes Kopfplättchen, das mit dem Kopf der Bürste verbunden werden kann durch zum Beispiel Verschweißen, Verkleben, Umspritzen usw.) oder aber auch der ganze Bürstenkörper ist (das heißt Stiel und einstückig daran angeformter Bürstenkopf).
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Alternativ hierzu kann der Büschelträger auch eine Transporteinheit sein, die die Büschel in einer Fügestation hält oder in eine Fügestation transportiert, wo sie mit einer Halteplatte oder einem Bürstenkörper verbunden werden. Dieses Verbinden kann entweder durch Umspritzen der miteinander verschweißten Filamente oder Büschel erfolgen oder durch Einsetzen der miteinander verschweißten Filamente oder Büschel in die Halteplatte, welche einen Abschnitt der späteren Bürste bildet.
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Als eine weitere Alternative kann der Büschelträger auch direkt eine Wand eines Spritzgießwerkzeugs sein oder ein Teil dieser Wand bzw. eine Kavität oder eine Teilkavität.
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Die in einem solchen Büschelträger gefassten Filamente oder Büschel ragen also direkt in die Kavität oder Teilkavität des Spritzgießwerkzeugs hinein, wo diese dann (mit oder ohne die Verwendung eines anderen Trägers) umspritzt werden zur Erzeugung der Bürste oder eines Teils der Bürste.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in einer weiteren Ausführungsform darüber hinaus auch einen Stempel zum Umformen und Aushärten der durch Ultraschallschweißen flüssigen Filamentenden umfassen. Sobald die Filamentenden durch das Ultraschallschweißen ausreichend verflüssigt sind, wird der Stempel auf das flüssige Thermoplast gedrückt, um das Thermoplast umzuformen und auszuhärten. Durch die Verwendung des Stempels kann eine Art Schicht erzeugt werden, die nur durch das Material der verflüssigten Filamentenden gebildet ist.
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Der Stempel kann ein separates Bauteil sein oder aber auch die Sonotrode sein, die, vorzugsweise sobald sie stillsteht, der Abkühlung des flüssigen thermoplastischen Materials dient.
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Beispielsweise ist die Sonotrode auch mit einer aktiven Kühlvorrichtung versehen. Diese Luft- oder Wasserkühlung wird nach dem Verflüssigen der Filamentenden aktiviert und sorgt für eine schlagartige Kühlung.
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Die Sonotrode kann auf ihrer Kontaktfläche mit den Filamentenden angeraut sein, um die Reibung zu erhöhen.
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Die Amplitude der Bewegung der Sonotrode in Querrichtung sollte vorzugsweise mehr als die die Standardamplitude, die vom Werk aus bei Sonotroden vorgegeben sind. Bei einer Standard-Generator-Frequenz von zum Beispiel 36 kHz soll die Amplitude größer 0,15 mm sein, bei höheren Frequenzen gegebenenfalls etwas niedriger.
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Ferner schafft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von Bürsten, insbesondere Zahnbürsten, die mehrere zu Borstenbüscheln zusammengefasste Filamente haben, wobei die Bürste Öffnungen besitzt, die zusammen ein Lochbild ergeben, in denen Borstenbüschel unter Bildung eines Büschelmusters aufgenommen sind. Das Verfahren umfaßt folgende Schritte:
Vorsehen zumindest eines Büschelträgers, der mehrere Löcher zum Einschieben von Borstenbüscheln hat, wobei das Lochbild, das die mit Borstenbüschel besetzten Löcher bilden, dem Büschelmuster der herzustellenden Bürste entspricht,
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Einschieben der Büschel in den Büschelträger, und Ultraschallverschweißen der Filamente von solchen Büscheln, die in den Büschelträger eingeschoben sind, wobei die Filamente auf der Rückseite des Büschelträgers miteinander ultraschallverschweißt werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine schematische Querschnittsansicht durch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 eine Ansicht der Vorrichtung entsprechend 1 nach dem Ultraschallverschweißen,
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3 eine Ansicht der Vorrichtung gemäß 1 beim Abkühlen,
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4 eine schematische Querschnittsansicht durch eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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5 eine Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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6 eine Schnittansicht durch eine durch die erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Zahnbürste, und
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7 eine Schnittansicht durch eine andere, durch die erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Zahnbürste.
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In 1 ist eine Vorrichtung zum Herstellen von Bürsten, insbesondere von Zahnbürsten, vereinfacht in schematischer Querschnittsansicht dargestellt.
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Die Erfindung umfasst eine oder mehrere Stationen, in denen einzelne Verfahrensschritte zur Herstellung von Bürsten durchgeführt werden. Die sogenannten thermoplastischen Filamente werden in Büscheln 10 einem Magazin entnommen und in einen Büschelträger 12 gesteckt. Der Büschelträger 12 kann, wie im vorliegenden Beispiel, eine Halteplatte sein, die einen Teil der späteren Zahnbürste darstellt.
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Dieses Einstecken der Büschel erfolgt ohne Faltung der Büschel, das heißt jedes Filament bildet eine Borste.
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Der Büschelträger 12 hat eine Rückseite 14, welche nach außen im fertigen Zustand der Bürste geschlossen ist, sowie eine entgegengesetzte Vorderseite, von der aus die Büschel 10 abstehen.
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Das Einstecken der Borstenbüschel 10 in den Büschelträger 12, welcher ein Lochfeld mit einem Lochmuster hat, das das spätere Borstenfeld mit dem entsprechenden Büschelmuster definiert, erfolgt entweder durch direktes Einstecken der Borstenbüschel in den Büschelträger 12 oder durch Vorkonfektionieren mittels einer sogenannten Lochplatte 16, die eine Art Transportmagazin oder -einheit der Vorrichtung darstellt.
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Natürlich wäre es möglich, eines oder mehrere Löcher nicht mit Borstenbüscheln zu bestücken, sondern ein elastisches Kunststoffteil einzuspritzen, das zum Beispiel der Zahnfleischmassage dient.
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Falls eine Lochplatte 16 vorhanden ist, hat diese ein Lochfeld mit einem Lochbild, das dem des Büschelträgers 12 vollständig oder im Wesentlichen vollständig entspricht. In die Öffnungen in der Lochplatte 16 werden die Borstenbüschel eingesteckt, und erst anschließend wird die Einheit aus befüllter Lochplatte 16 samt Borstenbüschel 10 und Büschelträger 12 zueinandergebracht, um die Borstenbüschel in den Büschelträger 12 einzuschieben.
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Eine Positionierplatte 18 kann dabei helfen, alle vorderseitigen Enden der Filamente gleichmäßig oder im Profil zur Vorderseite des Büschelträgers 12 zu positionieren.
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Rückseitig stehen die Enden (20) der Filamente (im Folgenden Filamentenden genannt) gegenüber dem Büschelträger 12 vor, das heißt, sie ragen aus den ihnen zugeordneten Löchern heraus.
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Eine Ultraschallschweißvorrichtung 22 mit einer Sonotrode 24 ist Teil der Vorrichtung. Die Sonotrode 24 wird mit einer angerauten Kontaktfläche leicht gegen die Filamentenden 20 gedrückt und anschließend quer zur Längserstreckung der Büschel mit Ultraschallgeschwindigkeit hin- und herbewegt. Die Hin- und Herbewegung der Sonotrode kann dabei linear sein oder einen geschlossenen Kurvenverlauf haben. Die Hin- und Herbewegung der Sonotrode 24 hat eine von Null abweichende Bewegungskomponente, die sich, wie gesagt, quer zur Längserstreckung oder Längsachse der Filamente erstreckt. Diese Bewegungsrichtung S oder die Bewegungsebene steht wenigstens 80°, vorzugsweise aber 90° zur Längsachse der Filamente und/oder parallel zur Rückseite 14.
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Natürlich kann während des Schweißens eine minimale Zustellbewegung der Sonotrode 24 in Filamentrichtung zur Hin- und Herbewegung hinzukommen.
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Durch die Reibung der Filamentenden 20 mit der entsprechenden Kontaktfläche der Sonotrode 24 kommt es zum Erhitzen der Filamente und zum Schmelzen. Zumindest die Filamentenden 20 eines Büschels 10 werden durch die Bewegung miteinander verschweißt, wie dies in 2 gezeigt ist, bei der die Sonotrode 24 wieder abgehoben ist.
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Abhängig von der axialen Anpresskraft der Sonotrode und/oder der Einwirkungszeit der Sonotrode und/oder deren Bewegungsamplitude können nur die Filamentenden 20 eines Büschels 10 oder mehrere benachbarte Büschel 10 oder sogar alle Borsten der Bürste miteinander verschweißt werden. Bei der Ausführungsform nach 2 sind nur die Filamentenden 20 eines Büschels 10 miteinander zu einer Art Tropfen verschweißt.
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Sobald die Filamentenden 20 flüssig genug sind, wird die Sonotrode 24 wieder weggezogen (2).
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Anschließend wird ein Stempel 28 gegen die flüssigen Filamentenden gedrückt (siehe 3), um das flüssige Material umzuformen und auszuhärten. Es ergibt sich damit eine Art Schicht 30 aus Thermoplast, der durch die flüssigen Filamentenden gebildet ist.
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Alternativ zur Ausbildung nach 3, bei der ein separater Stempel 28 vorgesehen ist, kann die Vorrichtung auch so ausgeführt sein, dass die Sonotrode 24 gleichzeitig den Stempel bildet, wie dies in 4 gezeigt ist.
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Die Sonotrode 24 ist hier mit einer aktiven Kühlvorrichtung 32 versehen. Das heißt, ein gas- oder flüssigkeitsführender Kanal durch die Sonotrode 24 erlaubt es, unmittelbar nach dem Verschweißen der Filamentenden die Sonotrode 24 abrupt abzukühlen. Dies kann beispielsweise ohne Abziehen der Sonotrode (2) erfolgen, indem die Sonotrode einfach nach dem Querbewegen und Schweißen in Querrichtung angehalten wird. Wegen der geringen Wärmeentwicklung kann diese Anhaltezeit im Vergleich mit anderen Schmelz- oder Schweißverfahren sehr niedrig gehalten werden.
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Die Sonotrode kann dann beispielsweise auch noch aktiv weiter in Richtung auf die Filamentenden 20 zu gedrückt werden, sodass das flüssige thermoplastische Material der Filamentenden 20 zu einer Schicht 30 oder zu flachgepressten Tropfen umgeformt wird. Während dieser Zustellbewegung oder danach wird dann die Kühlvorrichtung aktiviert.
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Alternativ hierzu kann nach dem Verflüssigen der Filamentenden 20 die Sonotrode 24 auch hochgefahren werden und die Kühlvorrichtung 32 aktiviert werden, sodass dann erst anschließend die Sonotrode 24 wieder ohne Querbewegung in Längsrichtung der Filamente gegen die flüssige thermoplastische Masse gedrückt wird.
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5 zeigt eine industrielle Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, mit einer Trägerplatte 42, an der mehrere Sonotroden 24 vorhanden sind. Mittels Führungen 44 kann die Trägerplatte 42 zu mehreren Büschelträgern 12, die in einer Lagerung 46 positioniert sind, in Zustellrichtung bewegt werden. Alternativ hierzu gibt es eine an der Trägerplatte 42 angebrachte Sonotrode, die mit den mit 24 bezeichneten Teilen gekoppelt ist und diese gleichzeitig bewegt, sodass die mit den Filamentenden 20 in Kontakt kommenden Oberflächen als Teil oder Ausläufer der Sonotrode 24 bezeichnet werden können.
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6 zeigt eine Ausführungsform der fertigen Zahnbürste, bei der der Büschelträger 12 bereits einstückiger Bestandteil des gespritzten Bürstenkörpers ist. Das heißt, der Büschelträger 12 geht einstückig in den Bürstenhals 48 und den Stiel (nicht gezeigt) über.
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Alternativ hierzu, siehe 7, kann der Büschelträger 12 auch als Halteplatte ausgeführt sein, die nach dem Schweißen der Filamentenden 20 umspritzt wird oder durch Kleben oder Ultraschallschweißen an dem Bürstenkörper angebracht wird.
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Ferner wäre es auch möglich, den Büschelträger 12 als Transporteinheit auszuführen, sozusagen als Lochplatte, die kein Teil der späteren Bürste darstellt, sondern nur als Vorkonfektioniereinheit und Transportmagazin dient. Hier wird beispielsweise mit Bezug auf 1 der Büschelträger 12 weggelassen. Dafür dient die Lochplatte 16 als Büschelträger. Die Lochplatte 16 wird nach dem Verschweißen der Filamentenden 20 als Teil einer Spritzgussform verwendet, sodass sie zusammen mit einer noch zuzustellenden Formhälfte einen Hohlraum eines Spritzgusswerkzeuges schließt. Bei dieser Ausführungsform werden die verschweißten Büschelenden 20 umspritzt und bei der Umspritzung entweder in den kompletten Bürstenkörper samt Stiel eingebettet oder in einem Teil davon.
