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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schwingungselement, wie zum Beispiel eine Sonotrode, mit einem daran befestigten Bauteil.
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Bei der Ultraschallbearbeitung von Materialien kommt eine Ultraschallschwingeinheit zum Einsatz, die in der Regel aus einem Konverter, der eine elektrische Wechselspannung in eine mechanische Anregung umwandelt, gegebenenfalls einem Amplitudentransformator und einer Sonotrode besteht. Die gesamte Ultraschallschwingeinheit wird dann mit einer hochfrequenten Wechselspannung beaufschlagt, sodass die Ultraschallschwingeinheit schwingt, wobei sich innerhalb der Sonotrode eine stehende Welle ausbildet.
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Im Idealfall sind alle Komponenten der Ultraschallschwingeinheit aufeinander derart abgestimmt, dass die gesamte Ultraschallschwingeinheit eine Eigenfrequenz im Ultraschallbereich aufweist, mit der die Ultraschallschwingeinheit dann angeregt werden kann. Jedes weitere Element, welches mit der Ultraschallschwingeinheit in Berührung kommt oder sogar daran befestigt ist, kann die Schwingungseigenschaften der Ultraschallschwingeinheit verschlechtern. Daher werden in der Regel keine zusätzlichen Bauteile an der Ultraschallschwingeinheit angebracht. Darüber hinaus wird ein großer Aufwand betreffend die Halterung der Ultraschallschwingeinheit betrieben, um sicherzustellen, dass die Halterung das Schwingverhalten der Ultraschallschwingeinheit möglichst wenig beeinflusst.
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In manchen Fällen ist es jedoch notwendig, dass Bauteile an einem Schwingungselement der Ultraschallschwingeinheit befestigt werden. Beispielsweise kann die Sonotrode eine ringförmige Siegelfläche aufweisen, die während der Bearbeitung mit dem zu bearbeitenden Material in Kontakt tritt. Dann kann es von Vorteil sein, wenn innerhalb der ringförmigen Siegelfläche Fluid zugeführt wird oder ein Niederhalter vorgesehen ist. In diesem Fall weist die Sonotrode einen Hohlraum auf, in den während der Bearbeitung Fluide, zum Beispiel Luft, zugeführt werden muss.
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In 1 ist eine Ausführungsform des Standes der Technik gezeigt. Hier weist eine Sonotrode 1 einen zentral verlaufenden Hohlraum 2 auf. Um in diesen Hohlraum Luft zuzuführen, ist in die Sonotrode in radialer Richtung eine Bohrung 3 eingebracht worden, in der ein Schlauch 4 eingesteckt ist, über den Fluid in den Hohlraum 2 eingebracht werden kann.
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Da jedoch die Sonotrode 1 im Betrieb mit einer Ultraschallschwingung schwingt, führt dies zu einer nicht gewollten Ultraschallbearbeitung des Schlauches 4, sodass der Schlauch 4 nur eine begrenzte Lebensdauer aufweist. Selbst wenn die Bohrung 3 so angeordnet wird, dass sie sich im Wesentlichen im Bereich eines Schwingungsknotens befindet, ist in der Praxis die Lebensdauer solcher Schlauchverbindungen begrenzt, sodass relativ häufig der Schlauch 4 ausgetauscht werden muss. Zudem besteht die Gefahr, dass sich der Schlauch 4 während des Betriebes von der Sonotrode 1 löst.
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In 2 ist eine zweite Ausführungsform des Standes der Technik gezeigt, in der ein Saugring 5 vorgesehen ist, um den Anschluss eines Schlauchs an den Hohlraum 2 zu gewährleisten. Die abgebildete Sonotrode hat einen kreisförmigen Querschnitt, sodass der hülsenartig aufgebaute Saugring 5 mit Hilfe von O-Ringen 6 um die Sonotrode herum angeordnet werden kann. Die O-Ringe 6 dienen dazu, einen Ringraum, der durch die ringförmige Ausnehmung 7 im Saugring 5 ausgebildet wird, in axialer Richtung, d.h. in der Figur nach oben und unten, abzudichten. Der Saugring 5 weist eine radial verlaufende Bohrung auf, in der ein Anschlussstutzen 8 angeordnet ist, auf dem der Luftschlauch befestigt werden kann.
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Der Saugring 5 ist zwar vollständig vom schwingenden Teil entkoppelt, muss jedoch exakt an die Sonotrode angepasst werden.
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Diese Lösung ist relativ aufwendig und ist ausschließlich für Rundsonotroden geeignet. Durch die die Sonotrode vollständig umgebende Anordnung besteht zudem ein erhöhter Platzbedarf, so dass diese Sonotrode nicht für alle Anwendungen verwendet werden kann.
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Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schwingungselement mit einem daran befestigten Bauteil zur Verfügung zu stellen, das einfach herzustellen ist, eine lange Lebensdauer aufweist und zudem ein Ablösen des Bauteils von der Sonotrode verhindert.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, dass das Schwingungselement eine Bohrung und das Bauteil einen in der Bohrung eingesetzten Befestigungsabschnitt aufweist, wobei zwischen Befestigungsabschnitt und Bohrung ein elastisches Element angeordnet ist, welches entweder elastisch verformt ist oder zumindest derart teilweise innerhalb einer in die Innenfläche der Bohrung eingebrachte Ausnehmung angeordnet ist, sodass das Bauteil nur durch eine elastische Verformung des elastischen Elementes aus der Bohrung entfernt werden kann.
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Die beschriebene Maßnahme lässt sich beispielsweise auch nachträglich bei bestehenden Sonotroden einbringen. Es ist lediglich notwendig, dass eine entsprechende Bohrung in die Sonotrode eingebracht wird. In die Bohrung kann dann der Befestigungsabschnitt eines Bauteils eingesetzt werden, wobei zwischen Befestigungsabschnitt einerseits und Innenwänden der Bohrung andererseits das elastische Element angeordnet ist. Um eine Relativbewegung des Befestigungsabschnittes zu der Bohrung zu verhindern, ist das elastische Element derart ausgebildet, dass es im eingesetzten Zustand entweder elastisch verformt ist oder zumindest derart teilweise innerhalb einer in die Innenfläche der Bohrung eingebrachte Ausnehmung angeordnet ist, sodass das Bauteil nur durch eine elastische Verformung des elastischen Elementes aus der Bohrung entfernt werden kann.
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Im einfachsten Fall hat die Bohrung einen kreisförmigen Querschnitt. Grundsätzlich wären jedoch auch andere Querschnitte, wie zum Beispiel ein quadratischer Querschnitt, denkbar.
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In gleicher Weise ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass der Befestigungsabschnitt einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Es versteht sich jedoch, dass auch der Befestigungsabschnitt nicht notwendigerweise einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen muss, sondern beispielsweise einen quadratischen Querschnitt haben kann. Es ist zudem auch nicht notwendig, dass die Bohrung und der Befestigungsabschnitt einen zueinander korrespondierenden Querschnitt aufweisen müssen. Allerdings ist es notwendig, dass das elastische Element sowohl an den Befestigungsabschnitt als auch an die Bohrung angepasst ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das elastische Element den Befestigungsabschnitt vollständig umgebend ausgebildet. Für den Fall, dass die Bohrung einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und der Befestigungsabschnitt einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, kann das elastische Element ring- oder hülsenförmig ausgebildet sein, sodass es über die Außenfläche des Befestigungsabschnittes geschoben werden kann und zusammen mit diesem in die Bohrung eingebracht werden kann.
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Um die Verbindung zwischen Schwingungselement und Bauteil möglichst kippsteif auszubilden, ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass mindestens zwei elastische Elemente zwischen Befestigungsabschnitt und Bohrung angeordnet sind, wobei vorzugsweise die beiden elastischen Elemente axial voneinander beabstandet sind. Dabei bezieht sich axial auf die Bohrungsachse.
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Des Weiteren kann es von Vorteil sein, dass axial zwischen den beiden elastischen Elementen eine Abstandshülse, welche den Befestigungsabschnitt umgreift, angeordnet ist.
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Alternativ dazu ist es auch möglich, dass der Befestigungsabschnitt zwei axial beabstandete Ausnehmungen, beispielsweise umlaufende Rillen, aufweist, in denen die beiden elastischen Elemente zumindest teilweise angeordnet sind.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Bauteil ein relativ zum Befestigungsabschnitt bewegbares Druckelement auf, das derart ausgebildet ist, dass mit diesem auf das elastische Element eine Kraft ausgeübt werden kann. Durch das Ausüben der Kraft auf das elastische Element versucht dieses auszuweichen und erhöht somit die Kraft, die die Innenwände der Bohrung über das elastische Element auf den Befestigungsabschnitt des Bauteils ausüben.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Druckelement als Hülse mit Innengewinde ausgebildet und das Bauteil weist einen Abschnitt mit Außengewinde auf, auf dem das Druckelement angeordnet ist, wobei das Druckelement zumindest abschnittsweise zusammen mit dem Befestigungsabschnitt innerhalb der Bohrung angeordnet ist, sodass durch Drehen des Druckelementes relativ zum Bauteil das Druckelement weiter in die Bohrung oder aus dieser heraus bewegt werden kann.
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Wird nun das Druckelement relativ zum Befestigungsabschnitt gedreht, sodass es sich in die Bohrung hinein bewegt, wird es irgendwann auf das elastische Element treffen und dieses in einer Richtung komprimieren, wodurch es in einer Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung des Druckelementes liegt, zu einer Aufweitung des elastischen Elementes kommt, wodurch das Bauteil fest innerhalb der Bohrung verklemmt wird, sodass auch im Ultraschallbetrieb ein ungewolltes Lösen verhindert wird.
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Alternativ oder in Kombination dazu kann der Befestigungsabschnitt eine vorzugsweise als umlaufende Rille ausgebildete Ausnehmung aufweisen, in welcher das elastische Element, welches vorzugsweise ein O-Ring ist, angeordnet ist.
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Das Bauteil kann beispielsweise eine Druckluftzuführung sein. In diesem Fall ist das Bauteil röhrenförmig ausgebildet, wobei an der Außenseite der Röhre der Befestigungsabschnitt vorgesehen ist, welcher unter Zwischenlage eines elastischen Elementes in eine entsprechende Bohrung im Schwingungselement eingesetzt wird. Alternativ kann über das Bauteil auch Luft abgesaugt werden.
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Die beschriebene Befestigungsmethode kann jedoch auch an anderer Stelle verwendet werden. Beispielsweise gibt es Sonotroden mit ringförmiger Siegelfläche, sodass im Inneren der ringförmigen Siegelfläche ein Niederhalter gewünscht ist. Dieser Niederhalter muss dann im Inneren der Sonotrode angeordnet werden. Die Sonotrode weist somit einen Hohlraum auf und das Bauteil, nämlich eine Aufnahme für einen entsprechenden Niederhalter, kann dann innerhalb des Hohlraums angeordnet sein. Die Betätigung des Niederhalters kann beispielsweise mit Hilfe von Druckluft erfolgen, die ebenfalls durch die erfindungsgemäße Anordnung zugeführt wird. Anstelle des Niederhalters könnte auch ein Dämpfer oder eine Saugvorrichtung im Inneren der Sonotrode befestigt werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen sowie der zugehörigen Figuren. Es zeigen:
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1 eine erste Ausführungsform des Standes der Technik,
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2 eine zweite Ausführungsform des Standes der Technik,
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3 eine Querschnittsansicht eines Bauteils einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform,
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4 eine Teilquerschnittsansicht des Schwingungselementes mit eingesetztem Bauteil der ersten Ausführungsform der Erfindung,
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5 eine Querschnittsansicht eines Bauteils einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
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6 eine Detailansicht eines Querschnitts eines Schwingungselementes mit eingesetztem Bauelement gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung,
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7 eine Querschnittsansicht eines Bauteils einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
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8 eine Detailansicht eines Querschnitts des Schwingungselementes mit eingesetztem Bauelement gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung,
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9 einen Querschnitt durch ein Schwingungselement gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung,
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10 eine Querschnittsansicht gemäß 9, jedoch zusätzlich mit Luftdruck betriebenem Niederhalter.
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In den 1 und 2 sind zwei Ausführungsformen des Standes der Technik gezeigt, die bereits oben beschrieben worden sind.
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In 3 ist eine Querschnittsansicht eines Bauteils einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Das Bauteil 9 ist im Wesentlichen röhrchenförmig ausgebildet mit einem zentralen Kanal 14. Das Bauteil 9 weist einen Befestigungsabschnitt 11 und einen Gewindeabschnitt 10 auf. An den Gewindeabschnitt 10 kann ein entsprechender Schlauch zur Zuführung von Druckluft angesetzt werden. Der Befestigungsabschnitt 11 weist zwei O-Ringe 12, 13 auf, die in entsprechenden Rillen 15, 16 angeordnet sind.
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In 4 ist eine Detailansicht gezeigt, die das Zusammenspiel zwischen Bauelement 9 einerseits und Schwingungselement 1 andererseits zeigt. Das Schwingungselement 1, zum Beispiel eine Sonotrode, weist eine Bohrung 3 auf. Der Befestigungsabschnitt 11 wird zusammen mit den beiden O-Ringen 12, 13 in die Bohrung 3 eingeführt. Um das Bauteil 9 sicher in der Bohrung 3 zu halten, ist in der Innenwand der Bohrung 3 eine Rille 17 vorgesehen, in welcher der O-Ring 12 gehalten wird. Die beiden am Befestigungsabschnitt 11 vorgesehenen Rillen 15, 16 zur Aufnahme der beiden O-Ringe 12, 13 haben, wie in den 3 und 4 deutlich zu erkennen ist, eine unterschiedliche Rillentiefe. Dabei ist berücksichtigt worden, dass der O-Ring 12 eine korrespondierende Rille 17 am Schwingungselement 1 vorfindet, während dies für den zweiten O-Ring 13 nicht der Fall ist. Um die Kraftverteilung zwischen den beiden O-Ringen im Wesentlichen gleich zu halten, ist daher die Tiefe der Rille 16 derart bemessen, dass sie der Summe aus den Rillentiefen der Rille mit geringerer Tiefe 15 des Bauteiles 9 und der Tiefe der Rille 17 im Schwingungselement entspricht.
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In dem in 4 gezeigten Zustand ist das Bauteil im Wesentlichen schwingungsentkoppelt innerhalb des Schwingungselementes 1 angepasst. Eine ungewollte Verschiebung des Bauteiles 9 innerhalb der Bohrung 3 wird dadurch verhindert, dass der O-Ring 12 sowohl in eine Ausnehmung 15 des Bauteils 9 als auch in eine Ausnehmung 17 des Schwingungselementes 1 eingreift.
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In 5 ist eine Schnittansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform gezeigt. Soweit möglich wurden gleiche Bezugszahlen zur Bezeichnung von gleichen Elementen verwendet.
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Im Wesentlichen unterscheidet sich die in 5 gezeigte Ausführungsform des Bauelementes von der in 3 gezeigten Ausführungsform dadurch, dass zum Einen die Rillentiefe für die beiden O-Ringe 12, 13 gleich groß ist. Zudem weist das Bauteil 9' hier zusätzlich ein Druckelement 18 auf, welches mit Hilfe eines Innengewindes am Außengewinde 10 des Gewindeabschnittes angebracht ist. Durch Relativdrehung des Druckelementes 18 gegenüber dem Bauteil 9' kann das Druckelement 18 in axialer Richtung zu dem O-Ring 12 und von diesem hinweg bewegt werden.
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Das Druckelement 18 ist hülsenförmig ausgebildet und weist einen axial vorstehenden Halsabschnitt 19 auf, der mit dem den Druckelement 18 zugewandten O-Ring 12 in Kontakt tritt. Zu diesem Zweck hat der Halsabschnitt einen Außendurchmesser, der kleiner als der Innendurchmesser der Bohrung ist. Die Rille zur Aufnahme des O-Ringes 12 wird somit sowohl von dem Bauelement 9' als auch von dem Druckelement 18 bzw. dem vorstehenden Kragenelement 19 gebildet. In 6 ist eine Detailansicht gezeigt, in der das Zusammenwirken des Bauteils 9' mit dem Schwingungselement 1 veranschaulicht wird. Auch hier weist das Schwingungselement 1 eine Bohrung 3 auf, in der eine umlaufende Rille 17 zur Aufnahme des O-Ringes 12 eingebracht ist.
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Um bei dieser Ausführungsform sicherzustellen, dass die beiden O-Ringe 12, 13 im Wesentlichen vergleichbare Kräfte auf die Innenflächen der Bohrung 3 des Schwingungselementes 1 ausüben, wird in der gezeigten Situation das Druckelement 18 relativ zum Gewindeabschnitt 10 gedreht, um die Rillenbreite, in der der O-Ring 12 eingelegt ist, zu reduzieren, wodurch sich der O-Ring 12 verformt und in radialer Richtung ausdehnt, was wiederum dazu führt, dass der O-Ring mit dem Rillengrund der Rille 17 im Schwingungselement 1 in Kontakt tritt. Durch das Druckelement 18 wird der O-Ring 12 gegen die Rille 17 gepresst, sodass im Betrieb sichergestellt ist, dass das Bauelement 9' in axialer Richtung weder in Richtung der Sonotrode noch von dieser hinweg bewegt werden kann.
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In 7 ist ein Bauteil 9'' einer dritten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Im Unterschied zu dem in 5 gezeigten Bauteil 9' ist hier eine Abstandshülse 20 vorgesehen. Wird nun das Druckelement 19 relativ zum Gewindeabschnitt 10 gedreht, so bewegt sich das Druckelement 18 in Richtung zu dem ersten O-Ring 12, sodass dieser zwischen Halsabschnitt 19 des Druckelementes 18 und Abstandshülse 20 eingeklemmt wird. Da auch die Abstandshülse 20 beweglich angeordnet ist, wird diese in Richtung des zweiten O-Rings 13 bewegt, sodass mit Hilfe des Druckelementes 18 sowohl auf den ersten O-Ring 12 als auch auf den zweiten O-Ring 13 eine Kraft ausgeübt werden kann.
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Wie in 8, die den eingesetzten Zustand zeigt, zu erkennen ist, kann bei dieser Ausführungsform auf das Vorsehen einer Rille in der Innenwand der Bohrung verzichtet werden. Durch das gleichmäßige Aufbringen der Druckkraft des Druckelementes 18 auf die beiden O-Ringe ist in diesem Fall auch ohne Vorsehen einer Rille eine gleichmäßige Kraftaufbringung über die beiden O-Ringe 12 und 13 gewährleistet. Selbstverständlich können bei dieser Ausführungsform auch ein oder mehrere Rillen vorgesehen sein, in die ein O-Ring oder beide O-Ringe eingreifen.
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In 9 ist eine Querschnittsansicht einer vierten Ausführungsform gezeigt. Die Sonotrode 1 weist hier eine im Wesentlichen ringförmige Schweißfläche 31 auf, die bei der Ultraschallbearbeitung mit dem zu bearbeitenden Material in Kontakt tritt. Daher ist im Inneren der Sonotrode ein Hohlraum 32 ausgebildet. Je nach Anwendungsfall kann es hilfreich sein, wenn, während die ringförmige Schweißfläche 31 mit dem zu bearbeitenden Material in Kontakt tritt, ein Niederhalter das Material innerhalb der ringförmigen Schweißfläche nach unten drückt. Auch dieser Niederhalter kann schwingungsentkoppelt an der Sonotrode 1 befestigt werden.
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Zur Verdeutlichung ist in 9 lediglich eine Hülse 21 mit einem inneren Kanal 27 gezeigt, die innerhalb der Sonotrode 1 schwingungsentkoppelt gelagert ist. Diese Hülse 21 ist innerhalb einer zweiten Hülse 33 angeordnet und mit dieser über eine Schraubverbindung verbunden. Des Weiteren sind zwei O-Ringe 22 und 24 sowie eine Abstandshülse 23 vorgesehen. Wird nun die Hülse 21 relativ zur zweiten Hülse 33 gedreht, so führt dies dazu, dass der auskragende Abschnitt der Hülse 21 den O-Ring 22 gegen die Abstandshülse 23 drückt, worauf diese wiederum eine Kraft auf den zweiten O-Ring 24 ausübt. Dadurch werden die beiden O-Ringe verformt, sodass sie sich in radialer Richtung ausdehnen und die Hülse 21 innerhalb der Sonotrode 1 verklemmen. Die Längsbohrung in der Sonotrode ist stufig ausgebildet, sodass der O-Ring 24 an der Stufe der Bohrung zu liegen kommt, wodurch eine Bewegung der Hülse nach unten, d.h. in Richtung der Siegelflächen 31, verhindert wird.
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Um eine Bewegung in entgegengesetzter Richtung zu verhindern, ist ein weiteres Druckelement 26 vorgesehen, das ein Innengewinde aufweist, das mit einem Außengewinde der zweiten Hülse 33 in Eingriff tritt und so einen dritten O-Ring 25 elastisch verformt, was wiederum dafür sorgt, dass sich die Verbindung axial nicht nach oben bewegen kann.
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In 10 ist nun noch zusätzlich dargestellt, dass die zweite Hülse 33 mit einem Gehäuse 30 verbunden ist, dessen Boden mit Hilfe eines Kolbens 28, der federnd vorgespannt sein kann, verschlossen ist. In dem Gehäuse 30 bildet sich somit ein Hohlraum 29, sodass es nun mit Hilfe von Druckluft, die über die Bohrung 3 zugeführt wird und über den Kanal 27 in den Hohlraum 29 geführt wird, den Kolben 28 mit Kraft zu beaufschlagen, sodass dieser axial nach unten bewegt wird und das zu bearbeitende Material entsprechend halten kann.
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Durch die erfindungsgemäße Maßnahme ist eine schwingungsentkoppelte Verbindung von Bauteilen mit Schwingungselementen möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sonotrode
- 2, 29, 32
- Hohlraum
- 3
- Bohrung
- 4
- Schlauch
- 5
- Saugring
- 6, 12, 13, 22, 24, 25
- O-Ringe
- 7
- ringförmige Ausnehmung
- 8
- Anschlussstutzen
- 9, 9', 9''
- Bauelement
- 10
- Gewindeabschnitt
- 11
- Befestigungsabschnitt
- 14, 27
- Kanal
- 15, 16, 17
- Rillen
- 18, 26
- Druckelement
- 19
- Kragenelement
- 20, 23
- Abstandshülse
- 21, 33
- Hülse
- 28
- Kolben
- 30
- Gehäuse
- 31
- Schweißfläche
