DE102019004372A1

DE102019004372A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Ultraschallschweißverbinden von Fadengelegen

Info

Publication number: DE102019004372A1
Application number: DE102019004372.3A
Authority: DE
Inventors: Helmuth Gossler; Thomas Denk
Original assignee: ontec automation GmbH
Current assignee: Neuenhauser Maschinenbau De GmbH
Priority date: 2019-06-19
Filing date: 2019-06-19
Publication date: 2020-12-24

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) sowie ein Verfahren zum Ultraschallverschweißen mehrlagiger Fadengelege (16). Die erfindungsgemäße Vorrichtung (1) umfasst eine Ambosswalze (4) sowie eine im Wesentlichen parallel zur Längsachse der Ambosswalze (4) ausgerichtete und an die Ambosswalze (4) heranführbare Ultraschallschweißeinheit (6). Die Vorrichtung (1) ist so ausgelegt, dass die mehrlagigen Fadengelege (20) durch einen Spalt zwischen der Ambosswalze (4) und der Ultraschallschweißeinheit (6) geführt werden können und dort verschweißbar sind. An der Umfangsoberfläche der Ambosswalze (4) sind in radialer Richtung aufstehende Fixiernoppen (5) angebracht, zwischen oder auf denen die Kreuzungspunkte (13) von sich kreuzenden Fadensträngen (10, 11) in einem Fadengelege (16) positionierbar und durch die Einleitung von Ultraschallenergie miteinander verschweißbar sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ultraschallschweißverbinden von mehrlagigen Textilstrukturen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 5, wie sie z.B. aus der der DE-OS-1957216 bekannt sind.
Eine solche bekannte Vorrichtung 1 ist schematisch in 5 gezeigt. Die dort gezeigte Vorrichtung umfasst eine erste Umlenkwalze 2, eine Ambosswalze 4 mit glatter Umfangsoberfläche und eine zweiten Umlenkwalze 3. Eine im Wesentlichen parallel zur Längsachse der Ambosswalze 4 ausgerichtete Ultraschallschweißeinheit 6 ist an die Ambosswalze 4 heranführbar. Eine mehrlagige Textilstruktur 20 wird um die Umlenkwalzen 2, 3 und durch einen Spalt zwischen der Ambosswalze 4 und der Ultraschallschweißeinheit 6 geführt, wo von Ultraschallschweißköpfen 7 emittierte Ultraschallenergie auf die mehrlagige Textilstruktur 20 einwirkt. Bei einer Auswahl geeigneter Materialien in der mehrlagigen Textilstruktur 20 können diese Materialien durch die eingeleitete Ultraschallenergie aufgeschmolzen und so von Lage zu Lage miteinander verschweißt werden.
Weiterhin sind im Stand der Technik Beispiele für den Aufbau und die Herstellung von mehrlagigen Textilstrukturen in Form mehrlagiger Fadengelegen bekannt, insbesondere aus der DE 102013013412 A1 oder der DE 102015005160A1 . Dabei werden zum Beispiel in einer Längsrichtung „endlos“ verlaufende dreilagige Fadengelege dadurch erzeugt, dass Kettfäden (Längsfäden) oberhalb und unterhalb von Schussfäden (Querfäden) abgelegt werden. Bei der Herstellung solcher mehrlagiger Fadengelege werden in einem Zwischenschritt bei der Ablage einzelner Fadenstränge zumindest die Kettfäden (Längsfäden) mechanisch unter Spannung gehalten. Wahlweise werden auch die Schussfäden mechanisch unter Spannung gehalten. Zur Herstellung eines permanenten Fadengeleges müssen diese sich kreuzenden Fadenstränge von Kett- und Schussfäden aber permanent aneinander fixiert werden.
Typischerweise werden bei aus dem Stand der Technik bekannten Fadengelegen die Fäden einzelner Fadenstränge einer nasschemischen Behandlung unterzogen. Dabei werden die Fadenstränge durch ein chemisches Bad mit einer Fixierungschemikalie geführt. Dabei benetzt die Fixierungschemikalie die Fäden in den einzelnen Strängen. Dies kann an den einzelnen Fadensträngen wahlweise vor oder nach der Ablage aufeinander erfolgen. Sodann wird an den übereinander abgelegten und benetzten Fadensträngen ein Fixierungsschritt durchgeführt, bei dem die Fixierungschemikalie thermisch und/oder durch UV-Bestrahlung aktiviert wird. Dabei härtet die Fixierungschemikalie aus und die übereinanderliegenden Lägen von Fadensträngen werden an ihren Kreuzungsprunkten permanent mit einander verklebt.
Ein derartiges nasschemisches Fixierungsverfahren ist z. B. in der CN201510101840 eingehender beschrieben.
Diese aus dem Stand der Technik bekannten nasschemischen Fixierungsverfahren werden aus folgenden Gründen als nachteilig erachtet:

Der Einsatz von Nasschemikalien erfordert in der Verfahrenstechnik zusätzliche Schritte für den Einkauf, die Lagerung, die Anwendung und gegebenenfalls die Entsorgung der nasschemischen Fixierungsmittel. Der fachgerechte Umgang mit diesen Nasschemikalien führt zu erhöhten Anforderungen hinsichtlich des Qualifikationsniveaus des Bedienungspersonals. Je nach verwendeter Nasschemikalie können eventuell auftretende Gesundheitsgefährdungen des Bedienpersonals nicht ausgeschlossen werden. Dies erfordert eine sorgfältige Schulung des Personals sowie gegebenenfalls zusätzliche technische Sicherungseinrichtungen, wie z.B. Luftabsauganlagen oder besonders abgedichtete Systeme, um Gesundheitsgefährdungen zu minimieren. Weiterhin sind eventuelle Reste dieser Nasschemikalien nach erfolgtem Einsatz fachgerecht zu recyceln oder aufwändig zu entsorgen. All dies führt zu einem beträchtlichen finanziellen und organisatorischen Zusatzaufwand beim Einsatz solcher Nasschemikalien.

Versuche, die nasschemische Fixierung von Fadensträngen in einem mehrlagigen Fadengelege durch Ultraschallverschweißen in den aus dem Stand der Technik bekannten und in 5 schematisch gezeigten Vorrichtungen 1 mit glatter Ambosswalze 4 zu ersetzen, sind bisher aber immer sehr unbefriedigend ausgefallen. In der Praxis hat sich gezeigt, dass dabei sowohl die erzielbare Festigkeit der Verklebung an den Kreuzungspunkten der Fadenstränge suboptimal war, als auch die geometrische Formtreue der erwünschten Gitterzellen im herzustellenden mehrlagigen Fadengelege. Insbesondere kommt es aber zu großflächigen mechanischen Schädigungen von Fäden im Fadengelege und damit einhergehend zu Qualitätsverlusten der mechanischen Eigenschaften des Fadengeleges.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, alternative Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von Fadengelegen bereitzustellen, mit denen die oben geschilderten Nachteile von einerseits nasschemischen Fixierungsverfahren und andererseits bekannten Ultraschallschweißvorrichtungen und - verfahren vermieden werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren nach Anspruch 5 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich insbesondere aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Figuren.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ultraschallverschweißen von sich kreuzenden Fadensträngen eines mehrlagigen Fadengeleges;
2 eine Ausschnittsvergrößerung A der in 1 gezeigten Vorrichtung;
3 einen der Ausschnittsvergrößerung in 2 entsprechenden Schnitt senkrecht zur Drehachse der in 1 gezeigten Ambosswalze;
4a - 4c Einzelheiten einer Ambosswalze, wie sie in der in 1 bis 3 gezeigten Vorrichtung eingesetzt wird;
5 eine schematische Darstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung zum Ultraschallverschweißen von mehrlagigen Textilstrukturen.

Insbesondere zeigt 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Ultraschallverschweißen von sich kreuzenden Fadensträngen 10, 11 eines mehrlagigen Fadengeleges 16. 2 und 3 zeigen Detailvergrößerungen der 1.
Bei der in 1 gezeigten Ambosswalze 4 handelt es sich um eine zylindrische Walze, an deren Umfangsoberfläche in radialer Richtung aufstehende Fixiernoppen 5 angebracht sind. Die Fäden in den zugeführten Fadensträngen 10, 11 eines zugeführten mehrlagigen Fadengeleges können auf und zwischen diesen Fixiernoppen 5 zum Liegen kommen. Mittels der an der Ultraschallschweißeinheit 6 angebrachten Ultraschweißköpfe 7 wird Ultraschallenergie in den Bereich der Kreuzungspunkte 13 der sich kreuzenden Fadenstränge 10, 11 eingeleitet und die Fäden 10, 11 werden durch den Ultraaschallschweißvorgang an den Kreuzungspunkten 13 permanent fixiert. Dabei zeigt sich, dass es bei der Verwendung einer erfindungsgemäßen Ambosswalze 4 mit Fixiernoppen 5 zu einer wesentlich geringen mechanischen Schädigung der Fadenstränge 10, 11 kommt, als dies bei Verwendung einer glatten Ambosswalze der Fall ist.
In den Fadensträngen 10, 11 der Fadengelege werden bevorzugt folgende Materialien verwendet:

Multifilamentgarne aus thermoplastischen Kunststoffen wie Polyester, Polypropylen (PP),Polyamid (PA), oder Aramidgarn;
Bändchen aus Kunststofffolien wie Polyethylen oder Polypropylen, d. h. Fadenmaterial, bei denen in einem Schnitt quer zur Längsrichtung des Fadenmaterials eine erste Abmessung des Fadenmaterials in einer ersten Querrichtung beträchtlich größer ausfallen kann als eine Abmessung in einer dazu senkrecht stehenden zweiten Querrichtung;
Hybridgarne d.h. Filamentgarne mit Filamenten aus verschiedenen Stoffen wie Glas/PP oder Glas/PA;

Garne mit einer Ummantelung, z.B. Glas- oder Kohlenstofffasern mit einer Ummantelung mit einem thermoplastischen Kunststoff wie PP oder PA.
Als Ultraschweißköpfe können im Prinzip alle handelsüblichen Ultraschallköpfe verwendet werde.
Bei dem für die Ambosswalze verwendeten Material handelt es sich bevorzugter Weise um Stahl, insbesondere Stahl, der oberflächengehärtet ist und ggf. mit einer Verschleißschutzschicht beschichtet ist.
2 zeigt in einer Ausschnittsvergrößerung der in 1 gezeigten Ambosswalze 4, wie die Kreuzungspunkte 13 von sich kreuzenden Fadensträngen 10, 11 eines mehrlagigen Fadengeleges 16 sowohl zwischen als auch auf die Fixiernoppen 5 fallen können. 3 zeigt einen der 2 entsprechenden Querschnitt senkrecht zur Längsachse (Drehachse) der Ambosswalze 4.
Die Fadenstränge 10, 11 sind beim Abwickeln bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 (zumindest teilweise) auf Zug gespannt.
4a - 4c zeigen Einzelheiten einer Ambosswalze 4, wie sie in der in 1 bis 3 gezeigten Vorrichtung 1 eingesetzt werden kann. 4a zeigt eine Seitenansicht auf eine zylindrische Ambosswalze 4 mit Durchmesser d und mit einem mit Fixiernoppen 5 versehenen Arbeitsbereich der Walzenoberfläche, der mit sich in axialer Richtung der zylindrischen Walze über eine Länge L erstreckt.
Auf der Umfangswand der zylinderförmigen Ambosswalze 4 sind Fixiernoppen 5 in einem regelmäßigen Muster angeordnet und stehen in radialer Richtung (Höhe h in 4c) von der Umfangsoberfläche der Ambosswalze 4 ab.
4b zeigt eine Ausschnittsvergrößerung des Arbeitsbereichs der Walzenoberfläche, innerhalb dessen in einem hier beispielhaft quadratisch ausgeführten Rastermuster von der Walzenoberfläche in radialer Richtung aufstehende zylindrische Fixiernoppen 5 mit Durchmesser 2r im Rastermaß a angeordnet sind. 4c zeigt einen Schnitt durch die Oberfläche der Ambosswalze 4 längs der Blickrichtung A - A in 4b.
Für die Dimensionierung der Ambosswalze 4 und ihrer Fixiernoppen 5 gilt bevorzugter Weise:
Die Arbeitsbreite L der Ambosswalze 4, d.h. die in 4a gezeigte Erstreckung L des Arbeitsbereichs, in dem radial von der zylinderförmigen Ambosswalze 4 aufstehende Fixiernoppen 5 an der Umfangsoberfläche der Ambosswalze 4 angebracht sind, sollte bevorzugter Weise so gewählt werden, dass für das Verhältnis von Walzendurchmesser d zu Arbeitsbreite L folgende Relation gilt: $d / L=1:5 bis 1 : 15.$
Bei den Fixiernoppen 5 hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Flächenanteil der Fixiernoppen 5 im Verhältnis zur gesamten Arbeitsfläche der Ambosswalze 4 relativ klein ist. Besonders gute Ergebnisse hinsichtlich der Formtreue der Gitterzellen in den fertig verschweißten Fadengelegen, der Reißfestigkeit der Kreuzungspunkte 13 der Fadenstränge 10, 12 in den einzelnen Fadenlagen und einer geringen bis verschwindenden mechanischen Beschädigung der Fadenstränge wurden dann erzielt, wenn der Flächenanteil der Fixiernoppen 5 relativ zur Fläche des Arbeitsbereichs der Ambosswalze 20% nicht überschreitet, insbesondere wenn er 10% nicht überschreitet, und ganz insbesondere wenn er 5 % nicht überschreitet.
Wählt man beispielhaft für die in 4b gezeigten Größen a (quadratisches Rastermaß des Abstands von Noppenmitte zu Noppenmitte) und r (Radius einer zylinderförmigen Fixiernoppe 5), die Werte a = 0,8 mm und r = 0,1 mm, so ergibt sich für das Verhältnis der Fläche A2 einer aufstehenden Fixiernoppe zur Gesamtfläche A1 der Arbeitsfläche einer Ambosswalze folgender Wert: $A_{2} / A_{1} = π \cdot r^{2} / a^{2} = 3,41 \cdot {(0,1)}^{2} / {0.8}^{2} = 4,91 %$
Die in 4c gezeigte Höhe h der Fixiernoppen 5 sollte vorteilhafter Weise mindestens ca. 50 bis 100% der Gelegestärke (Dicke eines mehrlagigen Fadengeleges) entsprechen. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel betrug die Höhe der Fixiernoppen 0,10 mm und die Gelegestärke der zu verschweißenden mehrlagigen Fadengeleges betrug 0,15 mm.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung und beim dem erfindungsgemäßen Verfahren sollten möglichst kompakte und gleichzeitig in ihrer Leistungsabgabe regelbare Ultraschallschweißköpfe 6 gewählt werden. Gleichzeitig wird durch die Möglichkeit der Leistungsregelbarkeit der Ultraschallköpfe 7 ermöglicht, eine auf die Wahl der Materialien in den Fadensträngen 10, 11 und deren Dicke optimal abstimmbare Energiemenge bzw. Leistung einwirken zu lassen, die dafür sorgt, dass es zu einer ausreichenden lokalen Aufschmelzung im Bereich der Kreuzungspunkte 13 der Fäden 14, 15 kommt, um eine gute Schmelzverbindung zwischen den Fäden 14, 15 in den übereinanderliegenden Fadensträngen 10, 11 zu erzielen, aber gleichzeitig die Einbringung von nicht benötigter Überschussenergie zu vermeiden, die die Fadenstränge 10, 11 über den Bereich der Kreuzungspunkte 13 hinausgehend in unnötiger Weise aufschmelzen und dadurch beschädigen könnte.
Es wurde festgestellt, dass die erfindungsgemäßen Maßnahmen zu einer deutlichen Verbesserung der Qualität der Verschweißungen an den Kreuzungspunkten der Fadenstränge in den einzelnen Gelegelagen führen, da dort eine gegenüber herkömmlichen Verbindungstechniken deutlich erhöhte Homogenität der Verschweißungen in den Kreuzungspunkten und eine erhöhte Reißfestigkeit derselben festgestellt werden konnte, und gleichzeitig ein unerwünschtes Aufschmelzen der Fäden in Bereichen außerhalb der Kreuzungspunkte weitestgehend vermieden wurde.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zum Ultraschallschweißen
2: erste Umlenkwalze
3: zweite Umlenkwalze
4: Ambosswalze
5: Fixiernoppen
6: Ultraschallschweißeinheit
7: Ultraschallschweißköpfe
10: erster Fadenstrang
11: zweiter Fadenstrang
13: Kreuzungspunkte der Fadenstränge
14, 15: Fäden
16: mehrlagiges Fadengelege
20: mehrlagige Textilstruktur
L: axiale Länge des mit Fixiernoppen versehenen Arbeitsbereichs einer Ambosswalze 4
d: Durchmesser der Ambosswalze
h: Höhe eines Fixiernoppens 5
a: Rastermaß des Abstands zwischen den Mittelpunkten benachbarter Fixiernoppen
r: Radius eines zylinderfömigen Fixiernoppens 5

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 1957216 [0001]
DE 102013013412 A1 [0003]
DE 102015005160 A1 [0003]

Claims

Vorrichtung (1) zum Ultraschallverschweißen mehrlagiger Textilstrukturen (20) mit einer Ambosswalze (4) sowie einer im Wesentlichen parallel zur Längsachse der Ambosswalze (4) ausgerichteten und an die Ambosswalze (4) heranführbaren Ultraschallschweißeinheit (6), wobei die Vorrichtung (1) so ausgelegt ist, dass die mehrlagigen Textilstrukturen (20) durch einen Spalt zwischen der Ambosswalze (4) und der Ultraschallschweißeinheit (6) geführt und dort durch Ultraschallschweißenergie verschweißbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Arbeitsbereich an der Umfangsoberfläche der zylindrischen Ambosswalze (4), über den das mehrlagige Fadengelege (16) führbar ist, in radialer Richtung aufstehende Fixiernoppen (5) angebracht sind, zwischen denen oder auf denen die Fadenstränge (10, 11) in einem mehrlagigen Fadengelege (16) positionierbar und dort durch von einer Ultraschallschweißeinheit (6) emittierte Ultraschallenergie verschweißbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ambosswalze (4) zwischen einer ersten (2) und einer zweiten (3) Umlenkwalze angebracht ist, und das mehrlagige Fadengelege (16) von der ersten Umlenkwalze (2) zum Spalt zwischen der Ambosswalze (4) und der Ultraschallschweißeinheit (6) hin und von der zweiten Umlenkwalze vom Spalt (3) weg führbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verhältnis des Durchmessers d der Ambosswalze (4) zur Erstreckung L des Arbeitsbereichs der Ambosswalze in ihrer Längsrichtung zwischen d / L = 5 / 10 und d / L = 1/15 liegt.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Flächenanteil der Fixiernoppen im Verhältnis zur gesamten Oberfläche des Arbeitsbereichs der Ambosswalze kleiner 20%, bevorzugterweise kleiner 10% und insbesondere Weise kleiner 5% ist.
Verfahren zum Ultraschallverschweißen mehrlagiger Textilstrukturen (20) in einem Spalt zwischen einer Ambosswalze (4) und einer im Wesentlichen parallel zur Längsachse (A) der Ambosswalze (4) ausgerichteten und an die Ambosswalze (4) heranführbaren Ultraschallschweißeinheit (6), dadurch gekennzeichnet, dass in einem Arbeitsbereich an der Umfangsoberfläche der zylindrischen Ambosswalze (4) in radialer Richtung aufstehende Fixiernoppen (5) angebracht sind, zwischen oder auf denen die sich kreuzenden Fadenstränge (10, 11) in einer als mehrlagiges Fadengelege (16) ausgeführten Textilstruktur (20) positioniert werden und dort durch die Einleitung von Ultraschallenergie der Ultraschallschweißeinheit (7) verschweißt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Ambosswalze (4) zwischen einer ersten (2) und einer zweiten (4) Umlenkwalze angebracht ist, und das Fadengelege (16) von der ersten Umlenkwalze (2) zum Spalt zwischen der Ambosswalze (4) und der Ultraschallschweißeinheit (6) hin und vom Spalt über die zweite Umlenkwalze (3) weg geführt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Höhe h der Fixiernoppen (5) auf der Ambosswalze (4) so gewählt ist, dass sie zwischen 50 % und 100% der Gelegestärke des zu verschweißenden mehrlagigen Fadengeleges (16) liegt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Fadenstränge (10, 11) in dem zu verschweißenden mehrlagigen Fadengelege (16) aus folgenden Materialien bestehen: Multifilamentgarne aus thermoplastischen Kunststoffen wie Polyester, Polypropylen (PP) oder Polyamid (PA) oder Aramidgarn, oder Bändchen aus Kunststofffolien wie Polyethylen oder Polypropylen, oder Hybridgarne mit Filamenten aus Glas/PP oder Glas/PA; oder Garne mit einer Ummantelung, insbesondere Glas- oder Kohlenstofffasern mit einer Ummantelung aus PP oder PA.