DE102022105805A1 - Vorrichtung zur Ultraschallbearbeitung mit zwei Sonotroden sowie Verfahren mit einer solchen Vorrichtung - Google Patents

Vorrichtung zur Ultraschallbearbeitung mit zwei Sonotroden sowie Verfahren mit einer solchen Vorrichtung Download PDF

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Vojislav Rakic
Nils Koch
Raquel Roussel-Garcia
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Erzeugung einer Quersiegelnaht mittels Ultraschallbearbeitung auf einem bahnförmigen, mehrlagigen Material (11) aufweisend eine Sonotrode (10) mit einer ersten Siegelfläche, die in eine Ultraschallschwingung versetzt werden kann, ein erstes Gegenwerkzeug (20) mit einer ersten Gegensiegelfläche (21), wobei die erste Siegelfläche unter Ausbildung eines ersten Spaltes von der ersten Gegensiegelfläche beabstandet ist und erste Siegelfläche und erste Gegensiegelfläche dafür vorgesehen sind, mit einem zu siegelnden Abschnitt des bahnförmigen Material in Kontakt zu treten und eine Ultraschallschwingung auf den zu siegelnden Abschnitt aufzubringen, wenn das bahnförmige Material durch den ersten Spalt bewegt wird und sich der zu siegelnden Abschnitt im Spalt befindet, wobei Übertragungsmittel vorgesehen sind, die sicherstellen, dass dann, wenn der zu siegelnde Abschnitt sich nicht im ersten Spalt befindet, die von der ersten Sonotrode auf das bahnförmige Material aufgebrachte Ultraschallschwingung reduziert ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung einer Quersiegelnaht in einem bahnförmigen, mehrlagigen Material mittels Ultraschallbearbeitung.
  • Eine solche Ultraschallbearbeitungsvorrichtung weist dafür eine erste Sonotrode mit einer ersten Siegelfläche und ein erstes Gegenwerkzeug mit einer ersten Gegensiegelfläche auf. Dabei ist die erste Sonotrode unter Ausbildung eines ersten Spaltes derart zu dem ersten Gegenwerkzeug angeordnet, dass in einem Betrieb der Vorrichtung das bahnförmige Material durch einen ersten Spalt zwischen der ersten Siegelfläche und der ersten Gegensiegelfläche in einer Vorschubrichtung hindurch bewegt wird, wobei die erste Siegelfläche und die erste Gegensiegelfläche dafür vorgesehen sind, mit einem Abschnitt des zu bearbeitenden Materials, nämlich dem zu siegelnden Abschnitt, in Kontakt zu kommen.
  • Ultraschallbearbeitungsverfahren kommen bei einer Vielzahl industrieller Anwendungen zum Einsatz. Beispielhaft sei hier die Verbindung von Vliesstoffmaterialien z.B. zur Herstellung von Hygieneprodukten wie Windeln genannt.
  • Dabei werden zwei oder mehr miteinander zu verbindende Vliesstoffabschnitte übereinander in einem Spalt zwischen der ersten Sonotrode und dem ersten Gegenwerkzeug angeordnet und die erste Sonotrode mit einer Ultraschallschwingung angeregt. An der ersten Siegelfläche und der ersten Gegensiegelfläche sowie zwischen den Materiallagen kommt es aufgrund der durch die Ultraschallschwingung induzierten Reibung zu einer lokalen Erwärmung des Materials, sodass insbesondere thermoplastische Bestandteile des Vliesstoffes aufgeschmolzen werden. Die aufgeschmolzenen Bestandteile von zu verbindenden Materialabschnitten fließen dabei ineinander und sorgen nach deren Abkühlung für eine feste, nicht zerstörungsfrei lösbare Verbindung.
  • Wie eingangs erwähnt, kommen derartige Verfahren beispielsweise bei der Herstellung von Windeln zum Einsatz, wobei z.B. die Seitennaht einer Windel mittels Ultraschallbearbeitung ausgebildet wird. Zur Ausbildung einer solchen Naht sind aus dem Stand der Technik zahlreiche Werkzeuggeometrien und Bearbeitungsverfahren bekannt.
  • Durch das in Kontakt treten der ersten Siegelfläche mit dem bahnförmigen Material während die erste Sonotrode mit einer Ultraschallschwingung angeregt ist, wird auf dem bahnförmigem Material in dem Abschnitt der zwischen der ersten Siegelfläche und der ersten Gegensiegelfläche angeordnet ist, eine Quersiegelnaht erzeugt. Dabei ist diese Quersiegelnaht quer, d.h. im beschriebenen Beispiel sogar senkrecht, zur Vorschubrichtung ausgebildet. Es ist sofort einsichtig, dass Quersiegelnähte nur so lang sind wie die Länge der ersten Siegelfläche. Daher muss sichergestellt werden, dass die erste Siegelfläche nur dann die Materialbahn bearbeitet, wenn eine Quersiegelnaht erzeugt werden soll. Daher sind Übertragungsmittel vorgesehen, die sicherstellen, dass dann, wenn der zu siegelnde Abschnitt sich nicht im ersten Spalt befindet, die von der ersten Sonotrode auf das bahnförmige Material aufgebrachte Ultraschallschwingung reduziert ist. Werden Materialbahnabschnitte, auf denen keine Quersiegelnaht erzeugt werden soll, durch den ersten Spalt bewegt, muss daher entweder die Amplitude der Ultraschallschwingung, z.B. auf Null, reduziert oder der erste Spalt vergrößert werden.
  • Typischerweise werden Seitennähte von Windeln mit im Wesentlichen walzenförmigen oder zylindersegmentförmigen Werkzeugen gebildet, die während der Bearbeitung um ihre Längsachse gedreht werden, sodass eine Mantelfläche, die die Zylinderform oder die Zylindersegment aufweist, auf dem zu bearbeitenden Material abrollt.
  • Dabei weist die Mantelfläche oft zumindest ein Strukturelement auf, welches in radialer Richtung über die Trägerfläche vorsteht. Die Oberseite des Strukturelementes bildet hier die erste Siegelfläche oder die erste Gegensiegelfläche und ist dafür vorgesehen, mit dem zu bearbeitenden Material in Kontakt zu treten und eine entsprechende Schweißstruktur zu erzielen. Durch die Drehung des Werkzeuges wird der erste Spalt zwischen erster Sonotrode und erstem Gegenwerkzeug somit abwechselnd größer und kleiner, wobei eine Ausbildung einer Siegelnaht nur dann erfolgt, wenn der Abstand klein ist.
  • Insbesondere bei industriellen Anwendungen ist eine möglichst hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit erwünscht. Die Verarbeitungsgeschwindigkeit ist jedoch mit den Vorrichtungen des Standes der Technik begrenzt.
  • Zwar lässt sich grundsätzlich die Vorschubgeschwindigkeit, d.h. die Geschwindigkeit, mit welcher das Material durch den ersten Spalt zwischen erster Sonotrode und erstem Gegenwerkzeug bewegt wird, erhöhen, allerdings wird dann durch die erste Sonotrode, die mit einer festen Frequenz auf das Material einwirkt, nicht mehr genügend Energie in das Material eingebracht, um eine zuverlässige Verschmelzung zu ermöglichen. Dies liegt daran, dass bei einer höheren Vorschubgeschwindigkeit das Material kürzer mit der ersten Siegelfläche der ersten Sonotrode in Kontakt tritt und daher weniger „Schläge“ von der ersten Sonotrode auf das Material aufgebracht werden.
  • Dies kann teilweise dadurch kompensiert werden, dass die Kraft, mit welcher die erste Sonotrode auf das zu bearbeitende Material gedrückt wird, erhöht wird. Dadurch wird „pro Schlag“ der ersten Sonotrode mehr Energie in das Material eingebracht. Dies sorgt allerdings für eine höhere Reibung und führt dazu, dass die aufgeschmolzenen Bestandteile, die sich durch die Ultraschallbearbeitung an den Grenzflächen zwischen den zu verschweißenden Materialschichten ausbilden, d.h. in der sogenannten Fügezone, durch die Oberflächenstruktur des Werkzeuges aus der Fügezone gedrückt werden. Dies führt wiederum ebenfalls zu einer schlechteren Naht, da nicht mehr genug thermoplastische Bestandteile in der Fügezone zur Verschmelzung zur Verfügung stehen.
  • Alternativ oder in Kombination ist auch bekannt, die Schwingungsamplitude der Ultraschallschwingung zu erhöhen. Auch hierdurch wird „pro Schlag“ der ersten Sonotrode mehr Energie in das Material übertragen. Diese Alternative ist jedoch ebenfalls begrenzt. Wird die erste Sonotrode mit zu hoher Schwingungsamplitude betrieben, kann es zu Beschädigungen des Sonotrodenmaterials kommen.
  • Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Ultraschallbearbeitung eines Materials bereitzustellen, mit welchem eine zuverlässige Erzeugung von Quersiegelnähten mit höherer Vorschubgeschwindigkeit ermöglicht wird.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Ultraschallbearbeitungsvorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, wobei eine zweite Sonotrode mit einer zweiten Siegelfläche vorgesehen ist, welche von einer zweiten Gegensiegelfläche unter Ausbildung eines zweiten Spaltes beabstandet ist, wobei zweite Siegelfläche und zweite Gegensiegelfläche dafür vorgesehen sind, mit dem zu siegelnden Abschnitt des bahnförmigem Material in Kontakt zu treten und eine Ultraschallschwingung auf den zu siegelnden Abschnitt aufzubringen, wenn der zu siegelnden Abschnitt durch den zweiten Spalt bewegt wird.
  • Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, dass ein Material an ein und derselben Stelle, nämlich an dem zu siegelnden Abschnitt, mehrmals von mindestens zwei Sonotroden nacheinander bearbeitet wird. Insgesamt betrachtet wird dadurch der Energieeintrag auf der bearbeiteten Fläche größer, sodass insgesamt ein größerer Anteil an thermoplastischem Material und folglich auch eine stabilere Schweißnaht erzeugt werden. Durch die zeitlich versetzte Bearbeitung wird allerdings nicht auf einmal viel Schmelze erzeugt, die aus der Fügezone herausgedrückt werden könnte, sondern die Erzeugung der Schmelze wird über eine Zeitspanne gestreckt, sodass die Kontaktzeit zwischen Sonotroden und Material insgesamt vergrößert wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Übertragungsmittel derart ausgestaltet, dass dann, wenn der zu siegelnde Abschnitt sich nicht im zweiten Spalt befindet, die von der zweiten Sonotrode auf das bahnförmige Material aufgebrachte Ultraschallschwingung reduziert ist.
  • Es wird daher nicht nur dann, wenn der zu siegelnde Abschnitt im ersten Spalt angeordnet ist, sondern auch dann, wenn der zu siegelnde Abschnitt im zweiten Spalt angeordnet ist, die auf das Material übertragene Ultraschallschwingung von dem Übertragungsmittel reduziert.
  • In der bevorzugten Ausführungsform sind die Übertragungsmittel derart ausgestaltet, dass die Übertragungsmittel die Größe des ersten und/oder zweiten Spaltes vergrößern, wenn der zu siegelnde Abschnitt sich nicht im entsprechenden Spalt befindet.
  • Dies kann z.B. dadurch verwirklicht werden, dass die erste Sonotrode oder die zweite Sonotrode relativ zu dem ersten Gegenwerkzeug bzw. dem zweiten Gegenwerkzeug bewegt wird, dass sich der erste bzw. zweite Spalt vergrößert.
  • Alternativ oder in Kombination dazu können die Übertragungsmittel die Schwingungsamplitude der Ultraschallschwingung der ersten und/oder zweiten Sonotrode reduzieren, wenn der zu siegelnde Abschnitt sich nicht im entsprechenden Spalt befindet. Im einfachsten Fall wird die Ultraschallschwingung einfach abgeschaltet, solange die entsprechende Siegelfläche nicht mit dem zu siegelnden Abschnitt in Kontakt ist. Insbesondere bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten hat sich allerdings gezeigt, dass ein vollständiges Abschalten der Ultraschallschwingung von Nachteil ist, da dann, wenn der zu siegelnde Abschnitt mit der entsprechenden Siegelfläche in Kontakt tritt, die Schwingungsamplitude der Ultraschallschwingung nicht schnell genug auf einen gewünschten Wert geregelt werden kann.
  • Häufig sind Siegelflächen als Erhebungen über eine Grundfläche oder eine Mantelfläche ausgebildet, die auf der Materialbahn ein Bearbeitungsmuster erzeugen. Daher können die Übertragungsmittel auch durch gegenüber der Mantelfläche vorstehenden Siegelflächen verwirklicht werden, wenn die erste Sonotrode und/oder das erste Gegenwerkzeug walzenförmig ausgebildet sind und während der Bearbeitung mit einer Umfangsgeschwindigkeit um ihre Achsen gedreht werden, die der Vorschubgeschwindigkeit entspricht. Dadurch ist sichergestellt, dass die entsprechende Siegelfläche oder Gegensiegelfläche nur mit dem zu siegelnden Abschnitt des bahnförmigen Materials in Kontakt tritt, sodass Materialbahnabschnitte, die benachbart zu dem zu siegelnden Abschnitt angeordnet sind, nicht mit Ultraschall bearbeitet werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung ist die erste Siegelfläche genauso ausgestaltet wie die zweite Siegelfläche, sodass mit der ersten Siegelfläche ein gleiches Bearbeitungsmuster auf dem Material erzeugt wird, wie mit der zweiten Siegelfläche. Es werden also exakt dieselben Materialabschnitte bearbeitet.
  • Es ist aber auch möglich, dass sich die erste Siegelfläche und die zweite Siegelfläche in ihren Abmessungen voneinander unterscheiden, so dass der von der ersten Siegelfläche bearbeitete Materialabschnitt und der von der zweiten Siegelfläche bearbeitete Abschnitt nicht exakt identisch sind.
  • Erfindungsgemäß muss allerdings zumindest ein Materialabschnitt, nämlich der zu siegelnde Abschnitt, nacheinander von der ersten und der zweiten Sonotrode bearbeitet werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist das Gegenwerkzeug walzenförmig mit einer Mantelfläche ausgestaltet und um eine Längsachse senkrecht drehbar, wobei die zweite Gegensiegelfläche auf dem ersten Gegenwerkzeug angeordnet ist und die erste Sonotrode und die zweite Sonotrode in einer Umfangsrichtung des Gegenwerkzeuges hintereinander angeordnet sind.
  • Auf diese Weise kann das zu bearbeitende Material effektiv über das erste Gegenwerkzeug geführt werden und es kann einfach sichergestellt werden, dass immer der gleiche Bereich des zu siegelnden Materials von der ersten und zweiten Sonotrode erfasst wird.
  • Es ist allerdings auch möglich, dass ein zweites Gegenwerkzeug vorgesehen ist, wobei die zweite Gegensiegelfläche auf dem zweiten Gegenwerkzeug angeordnet ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform sind die Übertragungsmittel dadurch verwirklicht, dass erste und/oder zweite Gegensiegelfläche als Erhebungen gegenüber der Mantelfläche ausgebildet sind. Hierdurch wird sichergestellt, dass nur eine Bearbeitung im Bereich der Erhebung des betreffenden Gegenwerkzeuges stattfindet.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist insbesondere vorgesehen, dass die erste Sonotrode und die zweite Sonotrode in einem Abstand A in Umfangsrichtung zueinander angeordnet sind, wobei die erste und die zweite Gegensiegelfläche des ersten Gegenwerkzeuges als separate Erhebungen gegenüber der Mantelfläche ausgebildet sind, wobei die Erhebungen in Umfangsrichtung hintereinander mit dem gleichen Abstand A in Umfangsrichtung angeordnet sind wie die erste Sonotrode und die zweite Sonotrode. Auf diese Weise kann besonders einfach sichergestellt werden, dass der gleiche Materialbahnabschnitt von der ersten und der zweiten Sonotrode bearbeitet wird. Die erste und zweite Sonotrode können beispielsweise kontinuierlich mit einer Ultraschallschwingung angeregt werden, wobei es nur zu einer Bearbeitung des Materials kommt, wenn die erste und die zweite Gegensiegelfläche des ersten Gegenwerkzeuges mit der ersten oder zweiten Siegelfläche zusammentrifft. Kostenaufwändige Steuerungen für die zeitlich versetzte Anregung der ersten und zweiten Sonotrode können hierbei entfallen.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung einen Ultraschallgenerator auf, der derart eingerichtet ist, dass mit dem Ultraschallgenerator die erste Sonotrode und die zweite Sonotrode anregbar sind. Es ist also nicht notwendig, dass die erste Sonotrode und die zweite Sonotrode zwei getrennte Ultraschallgeneratoren aufweisen, sodass ebenfalls Kosten eingespart werden können.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Antriebseinheit auf, wobei die Antriebseinheit derart eingerichtet und angeordnet ist, dass in einem Betrieb der Vorrichtung das Material mit der Antriebseinheit durch die Vorrichtung bewegt wird, wobei die Übertragungsmittel derart eingerichtet und mit dem Ultraschallgenerator und/oder der Antriebseinheit verbunden ist, dass die erste und zweite Sonotrode in Abhängigkeit von der Vorschubgeschwindigkeit und/oder dem Abstand A der ersten und zweiten Sonotrode zeitlich zueinander versetzt angeregt werden. Mit der beanspruchten Steuereinheit wird mit anderen Worten sichergestellt, dass immer exakt der gleiche Abschnitt des Materials mit der ersten und zweiten Sonotrode bearbeitet wird. Der zeitliche Abstand zwischen der Anregung der ersten Sonotrode und der Anregung der zweiten Sonotrode hängt dabei maßgeblich von dem Abstand der ersten und zweiten Sonotrode sowie der Vorschubgeschwindigkeit des Materials ab.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung eine dritte Sonotrode mit einer dritten Siegelfläche auf, die dafür vorgesehen ist, mit dem zu bearbeitenden Material in Kontakt zu treten, wobei die dritte Sonotrode derart relativ zu dem Gegenwerkzeug angeordnet ist, dass das zu bearbeitende Material in einem Betrieb der Vorrichtung durch einen dritten Spalt zwischen der dritten Siegelfläche und der Gegensiegelfläche hindurch bewegt wird, wobei die dritte Gegensiegelfläche auf dem ersten Gegenwerkzeug (20), dem zweiten Gegenwerkzeug oder einem dritten Gegenwerkzeug angeordnet ist.
  • Dabei ist die dritte Sonotrode in Vorschubrichtung derart hinter der zweiten Sonotrode angeordnet ist, dass mit der dritten Siegelfläche der dritten Sonotrode der gleiche Abschnitt des zu bearbeitenden Materials bearbeitbar ist, wie mit der ersten Siegelfläche der ersten Sonotrode und der zweiten Siegelfläche der zweiten Sonotrode, wenn das vorzugsweise bahnförmige Material in einem Betrieb der Vorrichtung mit der Vorschubgeschwindigkeit durch die Vorrichtung bewegt wird. Dabei ist vorzugsweise die dritte Siegelfläche genauso ausgestaltet wie die erste und die zweite Siegelfläche, sodass mit der dritten Siegelfläche ein gleiches Bearbeitungsmuster auf dem Material erzeugt wird, wie mit der ersten und zweiten Siegelfläche. Durch das Hinzuschalten einer dritten Sonotrode kann die Vorschubgeschwindigkeit des zu bearbeitenden Materials nochmals erhöht werden, da insgesamt die Kontaktzeit des Materials durch den Kontakt mit den drei Siegelflächen der Sonotroden erhöht wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung zumindest eine erste Materialführungswalze auf, wobei die erste Materialführungswalze relativ zu dem zylindrischen Gegenwerkzeug derart angeordnet ist, dass das Material in einem Zuführungsspalt zwischen der ersten Materialführungswalze und dem ersten Gegenwerkzeug in Vorschubrichtung hindurch bewegt wird, wobei die erste Materialführungswalze in Vorschubrichtung vor der ersten Sonotrode angeordnet ist, wobei vorzugsweise die Vorrichtung eine zweite Materialführungswalze aufweist, wobei die zweite Materialführungswalze relativ zu dem zylindrischen ersten Gegenwerkzeug derart angeordnet ist, dass das Material in einem Ausgangspalt zwischen der zweiten Materialführungswalze und dem ersten Gegenwerkzeug in Vorschubrichtung hindurch bewegt wird, wobei die zweite Materialführungswalze in Vorschubrichtung hinter der zweiten bzw. dritten Sonotrode angeordnet ist. Wie bereits im Zusammenhang mit dem zylindrischen ersten Gegenwerkzeug erwähnt, erleichtert die zylindrische Ausgestaltung des ersten Gegenwerkzeuges sowie die zusätzlichen Materialführungswalzen die Materialführung zwischen erstem Gegenwerkzeug und Sonotroden. Insbesondere kann auch die Vorschubgeschwindigkeit des Materials durch die beanspruchten Walzen und das zylindrische erste Gegenwerkzeug effektiv gesteuert werden, indem die Geschwindigkeit, mit welcher die Walzen und/oder das erste Gegenwerkzeug gedreht werden, gesteuert wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung weiterhin ein Schneidwerkzeug auf, wobei das Schneidwerkzeug in Vorschubrichtung hinter der zweiten bzw. der dritten Sonotrode angeordnet ist und derart eingerichtet ist, dass mit dem Schneidwerkzeug das vorzugsweise bahnförmige Material in einer Querrichtung senkrecht zu der Vorschubrichtung zerteilbar ist. Greift man beispielsweise das Eingangsbeispiel der Windelherstellung auf, so können die nach der Schweißung noch zusammenhängenden Windelstränge unmittelbar nach Herstellung der Seitennaht voneinander in einzelne Windeln getrennt werden.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zur Ultraschallbearbeitung eines vorzugsweise bahnförmigen Materials gelöst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
    1. a) Bereitstellen einer ersten Sonotrode mit einer ersten Siegelfläche, einer zweiten Sonotrode mit einer zweiten Siegelfläche und entweder
      1. i) einem ersten Gegenwerkzeug mit einer ersten Gegensiegelfläche und einer zweiten Gegensiegelfläche oder
      2. ii) einem ersten Gegenwerkzeug mit einer ersten Gegensiegelfläche und einem zweiten Gegenwerkzeug mit einer zweiten Gegensiegelfläche,
    2. b) Bewegen des Materials durch einen ersten Spalt zwischen der ersten Siegelfläche und der ersten Gegensiegelfläche in einer Vorschubrichtung mit einer Vorschubgeschwindigkeit, während die erste Sonotrode mit einer Ultraschallschwingung angeregt wird, sodass das Material durch die erste Siegelfläche an einem zu siegelnden Abschnitt mittels Ultraschall bearbeitet wird,
    3. c) Bewegen des Materials durch einen zweiten Spalt zwischen der zweiten Siegelfläche und der zweiten Gegensiegelfläche in der Vorschubrichtung mit der Vorschubgeschwindigkeit, während die zweite Sonotrode mit einer Ultraschallschwingung angeregt wird, sodass das Material durch die zweite Siegelfläche an dem in Schritt b) bearbeiteten zu siegelnden Abschnitt mittels Ultraschall erneut bearbeitet wird, wobei der zweite Spalt in Vorschubrichtung hinter dem ersten Spalt angeordnet ist.
  • Die im Hinblick auf die Vorrichtung diskutierten Vorteile und Ausführungsformen treffen auch auf das erfindungsgemäße Verfahren zu, sodass auf die obigen Ausführungen verwiesen wird. Dabei können in Schritt b) und/oder c) mehrere Materialabschnitte bearbeitet werden. Nicht jeder in Schritt b) bearbeitet Materialabschnitt muss in Schritt c) erneut bearbeitet werden. In gleicher Weise muss nicht jeder in Schritt c) bearbeitetet Materialabschnitt in Schritt b) bereits vorher bearbeitet worden sein. Erfindungsgemäß muss allerdings zumindest ein Materialabschnitt sowohl in Schritt b) als auch in Schritt c) bearbeitet werden.
  • In einer Ausführungsform ist die Vorschubgeschwindigkeit konstant, wobei vorzugsweise die Vorschubgeschwindigkeit mindestens 200 m/min und besonders bevorzugt mindestens 250 m/min beträgt. So kann sichergestellt werden, dass Nähte von Vliesstoffen auch in einer industriellen Anwendung innerhalb kürzester Zeit mit einer hohen Qualität gefertigt werden können.
  • In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht das vorzugsweise bahnförmige Material aus zumindest zwei Materiallagen, wobei in Schritt b) das Material nur komprimiert, die Materiallagen aber nicht verschmolzen werden und wobei in Schritt c) das eigentliche Verschweißen der Materiallagen erfolgt. Durch die Komprimierung des Materials in einem ersten Schritt durch die erste Sonotrode kann durch die Bearbeitung mit der zweiten Sonotrode in einer kürzeren Zeit eine Schmelze erzeugt werden, sodass das Verschmelzen der Materiallagen anschließend schneller erfolgen kann. Alternativ dazu kann aber auch in Schritt b) bereits ein Aufschmelzen des Materials erfolgen.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist das Verfahren weiterhin die folgenden Schritte auf:
    • d) Bereitstellen einer dritten Sonotrode mit einer dritten Siegelfläche,
    • e) Bewegen des Materials durch einen dritten Spalt zwischen der dritten Siegelfläche und einer dritten Gegensiegelfläche in der Vorschubrichtung mit der Vorschubgeschwindigkeit, während die dritte Sonotrode mit einer Ultraschallschwingung angeregt wird, sodass das Material durch die dritte Siegelfläche an dem in Schritt b) und c) bearbeiteten Abschnitt mittels Ultraschall erneut bearbeitet wird, wobei der dritte Spalt in Vorschubrichtung hinter dem zweiten Spalt angeordnet ist.
  • Wie bereits im Hinblick auf die Vorrichtung beschrieben, führt das Hinzuschalten einer dritten Sonotrode zu einer Erhöhung der Verarbeitungsgeschwindigkeit.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der dazugehörigen Figur deutlich.
    • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ultraschallschweißen.
  • Die Vorrichtung 1 weist in der in 1 gezeigten Ausführungsform eine erste Sonotrode 10 mit einer ersten Siegelfläche, und eine zweite Sonotrode 12 mit einer zweiten Siegelfläche auf. Die Sonotroden 10, 12 sind in Umfangsrichtung um ein zylindrisches Gegenwerkzeug 20 angeordnet, wobei die erste Sonotrode 10 in Umfangsrichtung im Uhrzeigersinn betrachtet vor der zweiten Sonotrode 12 angeordnet ist. Während dem Betrieb der Vorrichtung 1 werden die Sonotroden 10, 12 kontinuierlich mit einer Ultraschallschwingung angeregt. Die erste und zweite Siegelfläche der ersten Sonotrode 10 und der zweiten Sonotrode 12 sind der zu bearbeitenden Materialbahn 11 zugewandt und stehen mit dieser in Kontakt.
  • Das Gegenwerkzeug 20 weist mehrere Gegensiegelflächen 21 auf, die jeweils als Erhebung gegenüber einer Mantelfläche ausgebildet sind. In einem Betrieb der Vorrichtung 1 wird das zu bearbeitende mehrlagige Material 11 zwischen den Gegensiegelflächen 21 und den Siegelflächen der ersten und zweiten Sonotrode 10, 12 geführt.
  • Das zylindrische Gegenwerkzeug 20 ist dazu um eine Längsachse drehbar gelagert und wird von einem Antrieb (nicht dargestellt) im Uhrzeigersinn um die Längsachse gedreht, sodass das Material in einer Vorschubrichtung 50 durch die Vorrichtung 1 geführt wird.
  • Um sicherzustellen, dass mit der ersten und zweiten Sonotrode 10, 12 immer der gleiche Abschnitt des Materials bearbeitet wird, sind die Gegensiegelflächen 21 des Gegenwerkzeuges 20 in dem gleichen Abstand in Umfangsrichtung zueinander angeordnet, wie die Sonotroden 10, 12 selbst. Damit kommt es nur zu einer Bearbeitung des Materials, wenn eine Gegensiegelfläche 21 gegenüberliegend zu einer der Siegelflächen der Sonotroden 10, 12 positioniert ist und somit ein Energieübertrag von den Sonotroden 10, 12, 14 auf das Material ermöglicht wird. Eine Materialbearbeitung findet daher nur in der in 1 gezeigten Situation statt. Das Gegenwerkzeug 20 wird mit einer Umfangsgeschwindigkeit gedreht, welche mit der Vorschubgeschwindigkeit der Materialbahnen 11 übereinstimmt. Sobald daher das Gegenwerkzeug im Uhrzeigersinn aus der in 1 gezeigten Position gedreht wird, ist kein Abschnitt der Materialbahnen zwischen einer Siegelfläche der Sonotroden und einer Gegensiegelfläche angeordnet. In solch einer Situation kommt es zu keiner Ultraschallbearbeitung.
  • Die erste Sonotrode 10 ist dafür vorgesehen, das zu bearbeitende Material 11, das aus mehreren Lagen besteht, zunächst nur zu komprimieren. Durch die zweite Sonotrode 12 wird das Material dann in der Fügezone, also dem zu bearbeitenden Materialabschnitt, aufgeschmolzen, sodass sich die Materiallagen miteinander verbinden. Durch die konsekutive Bearbeitung des Materials mittels zwei Sonotroden 10, 12 kann die Vorschubgeschwindigkeit, mit welcher das Material durch die Vorrichtung 1 geführt wird, somit erhöht werden, wobei die Nahtqualität gewährleistet bleibt.
  • Mit der gezeigten Vorrichtung 1 und dem beschriebenen Verfahren können daher beispielsweise Seitennähte von Windeln zuverlässig ausgebildet werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Vorrichtung
    10
    erste Sonotrode
    11
    Materialbahn
    12
    zweite Sonotrode
    20
    Gegenwerkzeug
    21
    Gegensiegelfläche
    50
    Vorschubrichtung

Claims (14)

  1. Vorrichtung (1) zur Erzeugung einer Quersiegelnaht mittels Ultraschallbearbeitung auf einem bahnförmigen, mehrlagigen Material (11) aufweisend eine erste Sonotrode (10) mit einer ersten Siegelfläche, die in eine Ultraschallschwingung versetzt werden kann, ein erstes Gegenwerkzeug (20) mit einer ersten Gegensiegelfläche (21), wobei die erste Siegelfläche unter Ausbildung eines ersten Spaltes von der ersten Gegensiegelfläche beabstandet ist und erste Siegelfläche und erste Gegensiegelfläche dafür vorgesehen sind, mit einem zu siegelnden Abschnitt des bahnförmigem Material in Kontakt zu treten und eine Ultraschallschwingung auf den zu siegelnden Abschnitt aufzubringen, wenn das bahnförmige Material durch den ersten Spalt bewegt wird und sich der zu siegelnden Abschnitt im Spalt befindet, wobei Übertragungsmittel vorgesehen sind, die sicherstellen, dass dann, wenn der zu siegelnde Abschnitt sich nicht im ersten Spalt befindet, die von der ersten Sonotrode auf das bahnförmige Material aufgebrachte Ultraschallschwingung reduziert ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Sonotrode (12) mit einer zweiten Siegelfläche vorgesehen ist, welche von einer zweiten Gegensiegelfläche unter Ausbildung eines zweiten Spaltes beabstandet ist, wobei zweite Siegelfläche und zweite Gegensiegelfläche dafür vorgesehen sind, mit dem zu siegelnden Abschnitt des bahnförmigem Material in Kontakt zu treten und eine Ultraschallschwingung auf den zu siegelnden Abschnitt aufzubringen, wenn der zu siegelnden Abschnitt durch den zweiten Spalt bewegt wird.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsmittel derart ausgestaltet sind, dass dann, wenn der zu siegelnde Abschnitt sich nicht im zweiten Spalt befindet, die von der zweiten Sonotrode auf das bahnförmige Material aufgebrachte Ultraschallschwingung reduziert ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsmittel die Größe des ersten und/oder zweiten Spaltes vergrößern, wenn der zu siegelnde Abschnitt sich nicht im entsprechenden Spalt befindet.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsmittel die Schwingungsamplitude der Ultraschallschwingung der ersten und/oder zweiten Sonotrode reduzieren, wenn der zu siegelnde Abschnitt sich nicht im entsprechenden Spalt befindet.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gegenwerkzeug (20) walzenförmig mit einer Mantelfläche ausgestaltet und um eine Längsachse (51) drehbar ist, wobei die zweite Gegensiegelfläche auf dem ersten Gegenwerkzeug angeordnet ist und die erste Sonotrode (10) und die zweite Sonotrode (12) in einer Umfangsrichtung des Gegenwerkzeuges (20) hintereinander angeordnet sind.
  6. Vorrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Übertragungsmittel dadurch verwirklicht werden, dass erste und/oder zweite Gegensiegelfläche (21) als Erhebungen (22) gegenüber der Mantelfläche ausgebildet sind.
  7. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Gegenwerkzeug vorgesehen ist, wobei die zweite Gegensiegelfläche auf dem zweiten Gegenwerkzeug angeordnet ist.
  8. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (1) einen Ultraschallgenerator aufweist, der derart eingerichtet ist, dass mit dem Ultraschallgenerator die erste Sonotrode (10) und die zweite Sonotrode (12) anregbar sind.
  9. Vorrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die erste Sonotrode und die zweite Sonotrode in einem Abstand A in Umfangsrichtung zueinander angeordnet sind, wobei die erste und die zweite Gegensiegelfläche des ersten Gegenwerkzeuges als separate Erhebungen gegenüber der Mantelfläche ausgebildet sind, wobei die Erhebungen in Umfangsrichtung hintereinander mit dem gleichen Abstand A in Umfangsrichtung angeordnet sind wie die erste Sonotrode und die zweite Sonotrode, wobei vorzugsweise die Vorrichtung eine Antriebseinheit aufweist, wobei die Antriebseinheit derart eingerichtet und angeordnet ist, dass in einem Betrieb der Vorrichtung (1) das bahnförmige Material mit der Antriebseinheit durch die Vorrichtung (1) bewegt wird, wobei die Übertragungsmittel derart eingerichtet und mit dem Ultraschallgenerator und/oder der Antriebseinheit verbunden ist, dass die erste (10) und zweite (12) Sonotrode in Abhängigkeit von der Vorschubgeschwindigkeit und/oder dem Abstand A der ersten (10) und zweiten (12) Sonotrode zeitlich zueinander versetzt angeregt werden.
  10. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (1) eine dritte Sonotrode (14) mit einer dritten Siegelfläche (15) aufweist, die dafür vorgesehen ist mit dem zu bearbeitenden bahnförmigen Material in Kontakt zu treten, wobei die dritte Sonotrode (14) derart relativ zu einer dritten Gegensiegelfläche angeordnet ist, dass das zu bearbeitende bahnförmige Material in einem Betrieb der Vorrichtung (1) durch einen dritten Spalt zwischen der dritten Siegelfläche (15) und der dritten Gegensiegelfläche (21) hindurch bewegt wird, wobei die dritte Gegensiegelfläche auf dem ersten Gegenwerkzeug (20), dem zweiten Gegenwerkzeug oder einem dritten Gegenwerkzeug angeordnet ist.
  11. Verfahren zur Erzeugung einer Quersiegelnaht auf einem bahnförmigen Material mittels Ultraschallbearbeitung mit den Schritten: a. Bereitstellen einer ersten Sonotrode (10) mit einer ersten Siegelfläche (11), einer zweiten Sonotrode (12) mit einer zweiten Siegelfläche (13) und entweder i) einem ersten Gegenwerkzeug (20) mit einer ersten Gegensiegelfläche (21) und einer zweiten Gegensiegelfläche oder ii) einem ersten Gegenwerkzeug (20) mit einer ersten Gegensiegelfläche und einem zweiten Gegenwerkzeug mit einer zweiten Gegensiegelfläche, b. Bewegen des Materials durch einen ersten Spalt zwischen der ersten Siegelfläche (11) und der ersten Gegensiegelfläche (21) in einer Vorschubrichtung (50) mit einer Vorschubgeschwindigkeit, während die erste Sonotrode (10) mit einer Ultraschallschwingung angeregt wird, sodass das bahnförmige Material durch die erste Siegelfläche (11) an einem zu siegelnden Abschnitt mittels Ultraschall bearbeitet wird, c. Bewegen des Materials durch einen zweiten Spalt zwischen der zweiten Siegelfläche (13) und der zweiten Gegensiegelfläche (21) in der Vorschubrichtung (50) mit der Vorschubgeschwindigkeit, während die zweite Sonotrode (12) mit einer Ultraschallschwingung angeregt wird, sodass das Material durch die zweite Siegelfläche (13) an dem in Schritt b. bearbeiteten zu siegelnden Abschnitt mittels Ultraschall erneut bearbeitet wird, wobei der zweite Spalt in Vorschubrichtung (50) hinter dem ersten Spalt angeordnet ist.
  12. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Vorschubgeschwindigkeit konstant ist, wobei vorzugsweise die Vorschubgeschwindigkeit mindestens 200 m/min und besonders bevorzugt mindestens 250 m/min beträgt.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei das bahnförmige Material aus zumindest zwei Materiallagen besteht, wobei in Schritt b. das Material nur komprimiert, die Materiallagen aber nicht verschmolzen werden und wobei in Schritt c. das eigentliche Verschweißen der Materiallagen erfolgt.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das Verfahren weiterhin die Schritte aufweist: d. Bereitstellen einer dritten Sonotrode (14) mit einer dritten Siegelfläche (15), e. Bewegen des Materials durch einen dritten Spalt zwischen der dritten Siegelfläche (15) und einer dritten Gegensiegelfläche (21) in der Vorschubrichtung (50) mit der Vorschubgeschwindigkeit, während die dritte Sonotrode (14) mit einer Ultraschallschwingung angeregt wird, sodass das Material durch die dritte Siegelfläche (15) an dem in Schritt b. und c. bearbeiteten, zu siegelnden Abschnitt mittels Ultraschall erneut bearbeitet wird, wobei der dritte Spalt in Vorschubrichtung (50) hinter dem zweiten Spalt angeordnet ist.
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