DE10250741B4 - Beheiztes Schwingwerkzeug zum Einsatz in schwingenden Systemen - Google Patents

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Abstract

Beheiztes Schwingwerkzeug zum Einsatz in schwingenden Systemen, insbesondere für in Resonanz arbeitende Ultraschallschwingsysteme im Frequenzbereich von 20 – 70 kHz zum Schweißen und Fügen von Kunststoffhalbzeugen und Formteilen, da durch gekennzeichnet,
dass das beheizte Schwingwerkzeug (1) aus einer beheizten Sonotrode (4) und einem zugehörigen Wärmeerzeuger (5) aufgebaut ist und der Wärmeerzeuger (5) konzentrisch zur Sonotrode (4) angeordnet ist und die Sonotrode (4) als Mantel umschließt,
dass die beheizte Sonotrode (4) als zylindrischer Körper mit planen Stirnseiten (6) ausgebildet ist und ihre geometrischen Abmessungen so angepasst sind, dass die Resonanzschwingfrequenz des Schwingungserzeugers bei Einsatztemperatur erreicht wird und die Sonotrode (4) und alle weiteren Komponenten des Schwingsystems wie Ultraschallkonverter, Booster und Kühlelement in Resonanz schwingen können,
dass im Schwingungsnullpunkt der Sonotrode (4) ein ringförmig umlaufender aber unterbrochener Bund angeordnet ist , so dass Bundsegmente (7) gebildet werden, dass im Inneren der Sonotrode (4) ein System von Bohrungen (9,...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein beheiztes Schwingwerkzeug bzw. Schwingelement für den Einsatz in schwingenden Systemen, insbesondere für in Resonanz arbeitende Ultraschallschwingsysteme im Frequenzbereich 20 – 70 kHz zum Schweißen und Fügen von Kunststoffhalbzeugen und Formteilen.
  • Das Grundelement in einem schwingenden System ist ein Schwingungserzeuger. Er kann auf verschiedene Weise Schwingungen generieren, zum Beispiel nach elektromagnetischem Prinzip (Schwingschleifer) oder auch mit Hilfe des Piezoelektrischen Effektes (Konverter eines Ultraschallschwingsystems). Bei einem Konverter wird mit Hilfe einer angelegten elektrischen Wechselspannung eine mechanische Schwingung gleicher Frequenz erzeugt. Um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen setzt man piezoelektrische Konverter ein, wobei die Konstruktion des Konverters so ausgelegt ist, dass er sich bei der zu erzeugenden Schwingung in Resonanz befindet. Durch den Resonanzbetrieb wird die im Konverter entstehende Verlustleistung in Form von Wärme minimiert. Die Schwingfrequenz der an den Konverter angeschlossenen mechanischen Komponenten, in der Ultraschallschweißtechnik sind dies Booster und/oder Sonotroden, muss zur Einhaltung eines Resonanzbetriebes mit der Resonanzfrequenz des Konverters weitestgehend übereinstimmen. Sie werden deshalb bei ihrer Herstellung auf die Resonanzfrequenz des Konverters abgeglichen. Ein wichtiger, die Resonanzfrequenz einer Sonotrode beeinflussender Faktor ist deren Temperatur. Messungen ergaben eine lineare Abhängigkeit der Resonanzfrequenz zur Temperatur der Sonotrode, zumindest im Bereich von 20 °C bis 500 °C, wobei die Resonanzfrequenz mit steigender Sonotrodentemperatur abfällt.
  • Der Frequenzabgleich einer Sonotrode an die Resonanzfrequenz des Ultraschallkonverters muss demzufolge immer bei entsprechender Einsatztemperatur erfolgen, wobei die Einsatztemperatur bei herkömmlichen Ultraschallanwendungen in der Kunststoffbe- und -verarbeitung , wie z. B. beim Ultraschallschweißen von Folien oder Folienbahnen oder dem Fügen von Kunststoffformteilen mittels Ultraschall bei Raumtemperatur, d. h. bei 20 °C, liegt.
  • Der Einsatz einer beheizten Sonotrode führt infolge des Wärmeaustausches natürlich auch zum Temperaturanstieg anderer Komponenten des Schwingsystems, wie Booster und Konverter. Besonders deutlich wird dieses Problem beim Einsatz beheizter Aluminiumsonotroden.
  • Bei einem piezoelektrischen Konverter besteht immer die Gefahr, dass eine Erwärmung zur Zerstörung des Konverters führt, da sich die eingesetzten Piezokeramiken entpolarisieren können.
  • Auch andere Schwingungserzeuger, die Schwingungen nach anderen physikalischen Prinzipien erzeugen, können wärmeempfindlich sein.
  • Um eine unzulässige Erwärmung des Konverters durch ein angeschlossenes beheiztes mechanisches Element zu verhindern, muss ein Kühlelement zwischen diesen beiden Elementen angeordnet werden.
  • Bekannt ist das direkte Beheizen von mechanischen Elementen wie z. B. Heizspiegel für das Heizelementschweißen mittels Wärmeleitung. Hierbei werden Heizpatronen direkt in das zu beheizende Element eingebracht. Der Temperaturgradient wird elektronisch über einen Temperaturtühler eingestellt. Die Heizpatronen werden hierbei möglichst so angeordnet, dass eine gleichmäßige Temperaturverteilung erreicht wird. Die Methode der direkten Beheizung hat jedoch bei schwingenden Systemen den Nachteil, dass die Heizpatronen mit Schwingungen beaufschlagt werden oder sogar selbst in Eigenresonanz mitschwingen. Da Heizpatronen keramische Isolierstoffe enthalten, die extrem stoßempfindlich sind, werden sie bei Einwirkung von Schwingungen zerstört. Unabhängig von der daraus resultierenden kurzen Lebensdauer, wird das schwingende Element durch die eingebrachten Heizpatronen in seinen Schwingungseigenschaften stark negativ beeinflusst, so dass kaum noch ein Resonanzabgleich möglich ist, hohe Leistungsverluste auftreten oder das schwingende System nicht funktionsgerecht arbeiten kann.
  • Weiterhin ist aus der Praxis bekannt, dass zu beheizende Elemente über ein Warmluftgebläse mit heißer Luft angeblasen werden, um mit Hilfe der Wärmekonvektion das zu beheizende Element auf die technologisch notwendige Temperatur zu bringen. Nachteilig hierbei ist der schlechte Wirkungsgrad der Wärmeübertragung. Gleichzeitig wird durch das Anblasen mit heißer Luft auch kalte, atmosphärische Luft angesaugt, was zur Temperaturabsenkung des Heizluftstromes führt. Darüber hinaus ist ein Konstanthalten bzw. Regeln der Temperatur des zu beheizenden Elementes auf diese Weise außerordentlich schwierig.
  • Bekannt ist auch eine Erwärmung durch Induktion. Hierbei wird ein zu beheizendes Element von einer mit Wechselstrom durchflossenen Spule umschlossen, so dass die Induktionsströme, im zu beheizenden Element, eine Temperaturerhöhung hervorrufen. Nachteil der induktiven Erwärmung ist das starke Temperaturgefälle ins Innere des zu beheizenden Elementes, da die Induktionsströme hauptsächlich auf der Oberfläche des zu beheizenden Elementes fließen und somit auch nur diese erwärmen. Weiterhin ist dieses Verfahren nur für Materialien geeignet, die elektromagnetisch induktiv bzw. magnetisch sind. Gleichzeitig muss das Material eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzen, um die hauptsächlich an der Oberfläche entstehende Wärme in das Innere des zu erwärmenden Elementes zu leiten. Ein schlechter Wärmeleiter, wie zum Beispiel Titan, welches oft im Ultraschallbereich von 20 bis 40 kHz als Sonotrodenwerkstoff eingesetzt wird, könnte hier keine Anwendung finden.
    •
  • Der Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrunde, ein beheizbares Schwingwerkzeug für den Einsatz in schwingenden Systemen, insbesondere in Resonanz arbeitende Ultraschallschwingsysteme im Frequenzbereich 20 – 70 kHz, zu schaffen, welches unabhängig vom Werkstoff konstant und mit hohem Wirkungsgrad in einem Temperaturbereich von 20 – 350 °C erwärmt werden kann und in seinem Schwingverhalten durch die Art und Weise der Erwärmung nicht negativ beeinflusst wird.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 5 gelöst.
  • Das schwingende System besteht aus einem beheizten Schwingwerkzeug bzw. Schwingelement, einem Kühlelement und einem Schwingungserzeuger, die in der genannten Reihenfolge kraftschlüssig miteinander verbunden sind.
  • Erfindungsgemäß ist das beheizte Schwingwerkzeug aus einer beheizten Sonotrode und einem zugehörigen Wärmeerzeuger aufgebaut.
  • Die beheizbare Sonotrode ist als zylindrischer Körper mit planen Stirnseiten ausgebildet. Im Schwingungsmittelpunkt der Sonotrode ist ein ringförmiger, umlaufender aber unterbrochener Bund angeordnet, so dass Bundsegmente gebildet werden.
  • Die geometrischen Abmessungen der Sonotrode werden so angepasst, dass die Resonanzschwingfrequenz des jeweiligen Schwingungserzeugers bei der jeweils gewählten Einsatztemperatur erreicht wird. Die geometrische Gestalt der Sonotrode kann so variiert werden, dass die Amplitude der Schwingungen verstärkt oder auch verringert werden kann, analog eines Boosters oder einer Sonotrode in der Ultraschallschweißtechnik.
  • Die geometrische Form der beheizbaren Sonotrode ist dabei so gestaltet, dass die Sonotrode und alle anderen Komponenten des Schwingsystems, wie Konverter, Booster und Sonotrode in Resonanz schwingen können.
  • Die beheizte Sonotrode wird von einem konzentrisch zu ihr angeordneten Wärmeerzeuger umschlossen, der als Mantel um die Sonotrode herum ausgebildet ist.
  • Im Inneren der beheizbaren Sonotrode wird ein funktionales System von Bohrungen und Kanälen eingearbeitet, durch die ein Heizmedium fließt und somit eine gute Wärmeverteilung mit optimaler Wärmeaufnahme vorliegt. Die Bohrungen für den Heizmedienstrom sind auf einem Teilkreis, gleichmäßig und nahe am Umfang verteilt von der Seite des Schwingungserzeugers her als tiefe Grundlochbohrungen axial bis kurz vor das Ende in die beheizbare Sonotrode eingearbeitet.
  • An diesem Ende werden auf diese axialen Heizkanalbohrungen vom Umfang der Sonotrode her Bohrungen eingebracht, so dass jeweils durchgängige Heizkanäle entstehen.
  • Die Anordnung der Heizkanäle und Bohrungen in der Sonotrode ermöglicht eine aktive Wärmeverteilung ins Innere der Sonotrode, die deutlich besser ist, als eine Verteilung von einer von außen erwärmten Mantelfläche. Am schwingungserzeugerseitigen Ende der Sonotrode ist eine kanalförmige Ausnehmung so eingebracht, dass die Heizbohrungen in dieser Ausnehmung liegen und bei der Verbindung der beheizbaren Sonotrode mit dem Kühlelement über den nunmehr gebildeten Verteilerkanal in Verbindung stehen. Die Anordnung der Heizbohrungen kann dabei kreisförmig, sternförmig oder frei gestaltet sein. Die Aufheizung der Sonotrode ist um so effektiver, je größer die Anzahl der Heizbohrungen ist. Von diesen Bohrungen ist eine oder sind mehrere Bohrungen für die Heizmediumzuführung ausgebildet, d.h. diese Bohrung bzw. diese Bohrungen werden in der Tiefe nur bis zur Mitte der Sonotrode geführt und dort vom Um fang her radial angebohrt. Diese Zuführungsbohrung bzw. Zuführungsbohrungen mit dem Anschluss für das Heizmedium ist bzw. sind damit so angeordnet, dass eine schwingungsfreie mechanische Berührung des Wärmeerzeugers mit der Sonotrode gewährleistet ist und die Schwingfähigkeit der Sonotrode nicht beeinträchtigt wird. Eine schwingungsfreie mechanische Berührung mit der Sonotrode ist nur im jeweiligen Schwingungsknoten der in Resonanz schwingenden Sonotrode möglich. An den Zuführungsbohrungen wird das durch den Wärmeerzeuger aufgeheizte Heizmedium in die Sonotrode eingeleitet. Das Heizmedium durchströmt die Sonotrode über die in der Sonotrode verteilten Heizkanäle und kann auf diese Weise durch die stark vergrößerte Oberfläche der Heizkanäle mit einem hohen Wirkungsgrad Wärmeenergie an die Sonotrode abgeben.
  • Als Heizmedium wird im Wärmeerzeuger erhitzte Druckluft eingesetzt. Diese wird dem Wärmeerzeuger von außen über einen oder mehrere Luftanschlüsse zugeführt, im Wärmeerzeuger aufgeheizt und im Bereich des Schwingungsknotens der Sonotrode über ein oder mehrere Zuführungskanäle in die Sonotrode eingeleitet.
  • Der Wärmeerzeuger ist als zylindrischer, im Querschnitt ringförmiger Körper ausgebildet, wobei die Grundfläche dieses zylindrischen Körpers an die äußere Form der Sonotrode angepasst ist. Er umschließt die Mantelfläche der Sonotrode räumlich, so dass die Sonotrode gleichzeitig mittels Wärmeleitung, -strahlung und -konvektion aufgeheizt wird. Der Innendurchmesser des Wärmeerzeugers ist hierbei nur wenig größer als der Außendurchmesser der Sonotrode, so dass sich ein definierter Ringspalt und ein möglichst geringer Abstand zwischen dem Innendurchmesser des Wärmeerzeugers und dem Außendurchmesser der Sonotrode ergibt. Der Wärmeerzeuger wird mittels Heizpatronen aufgeheizt, die im Inneren des Wärmeerzeugers gleichmäßig verteilt entlang der umlaufenden Mantelfläche angeordnet sind. Zwischen den Heizpatronen sind Bohrungen angebracht, durch welche die zu erwärmende Druckluft strömt. Die Heizbohrungen werden durch stirnseitige Verbindungskanäle so miteinander verbunden, dass ein mäandertörmiges Bohrungssystem entsteht, wodurch die Druckluft mehrfach zwischen den Heizpatronen entlanggeleitet wird. Durch diese mäanderförmige Luftführung wird die Länge des Bohrungssystems und damit die Oberfläche der Bohrungen stark vergrößert, so dass die Druckluft einen großen Weg im Wärmeerzeuger zurücklegen muss, bevor sie aufgeheizt den Wärmeerzeuger verlässt und in die Sonotrode eingeleitet wird. Auf diese Weise wird ein optimaler Wärmeübergang vom Wärmeerzeuger an die Druckluft ermöglicht.
  • An der Berührungsstelle zwischen Wärmeerzeuger und Sonotrode im Bereich des Schwingungsknotens der Sonotrode wird Wärmeenergie mittels Wärmeleitung übertragen. Durch die umschließende Anordnung des Wärmeerzeugers um die Sonotrode wird ein Abkühlen der Sonotrode verhindert. Durch die höhere Temperatur des Wärmeerzeugers gegenüber der Sonotrodentemperatur ergibt sich eine Wärmestrahlung, die der Sonotrode weitere Wärmeenergie zuführt, wobei die Wärmestrahlung entlang der gesamten Mantelfläche der Sonotrode stattfindet.
  • Durch eine gezielte Druckluftführung strömt die aus den Austrittbohrungen der Sonotrode austretende Druckluft zwangsweise zwischen Sonotrode und Wärmeerzeuger (konstruktiv vorgesehener enger Spalt) entlang in Richtung des Schwingungserzeugers, nimmt an der Innenfläche des Wärmeerzeugers erneut Wärme auf und wärmt so die Sonotrode von außen weiter (Konvektion), bevor sie nach außen in die Umgebungsluft austritt.
  • Die Unterbringung der Heizpatronen im Wärmeerzeuger und die Berührung des Wärmeerzeugers mit der Sonotrode ausschließlich im Bereich des Schwingungsknotens garantieren einen schwingungsfreien Betrieb der Patronen, so dass keine Beeinträchtigung von Schwingungen auf deren Funktion möglich ist.
  • Die besonderen Vorteile der Erfindung liegen darin, dass durch die umschließende Anordnung des Wärmeerzeugers um die Sonotrode zum einen ein Abkühlen der Sonotrode an der Umgebungsluft verhindert und zum anderen der Sonotrode noch stetig Wärmeenergie durch Wärmestrahlung und durch Wärmekonvektion zugeführt wird, wobei eine optimale Ausnutzung der Wärmeenergie der Heißluft erreicht wird.
  • Die Anordnung und Unterbringung der Heizpatronen in einem separaten Wärmeerzeuger garantiert darüber hinaus einen schwingungsfreien Betrieb der Heizpatronen, so dass eine Beeinträchtigung oder Zerstörung der Heizpatronen durch den Einfluss von Schwingungen ausgeschlossen ist.
    •
  • Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
  • Es zeigen:
  • 1: Beheizte Sonotrode im Ultraschallschwingsystem mit Kühlelement und Konverter nach Ausführungsbeispiel 1
  • 2: Wärmeerzeuger mit beheizter Sonotrode, der Wärmeerzeuger ist dabei geschnitten dargestellt
  • 3: Beheizte Sonotrode in der Vorderansicht
  • 4: Ansicht der Sonotrode von der Kühlelementseite
  • 5: Ansicht der Sonotrode nach 3 auf Schnittlinie A-A
  • 6: Ansicht der beheizten Sonotrode nach 3 auf Schnittlinie B-B
  • 7: Ansicht des Wärmeerzeugers mit beheizter Sonotrode nach 2 von der Kühlelementseite
  • 8: Ansicht des Wärmeerzeugers und der beheizten Sonotrode nach 2 auf Schnittlinie C-C
  • 9: Beheizte Sonotrode im Ultraschallschwingsystem mit Bitemperaturelement und Konverter nach Ausführungsbeispiel 2
  • Ausführungsbeispiel 1
  • Das schwingende System besteht nach 1 aus dem beheizten Schwingwerkzeug 1, dem Kühlelement 2 und dem Ultraschallkonverter 3, die in der genannten Reihenfolge kraftschlüssig miteinander verbunden sind.
  • Das beheizbare Schwingwerkzeug 1 ist aus der Sonotrode 4 und dem mit ihr verbundenen Wärmeerzeuger 5 aufgebaut, 2, 7.
  • An einem Ultraschallschwingsystem soll ein beheiztes Schwingwerkzeug 1 mit einer Temperatur von ca. 300 °C betrieben werden. Dazu wird die Sonotrode 4 bei einer Betriebstemperatur von 300 °C plus/minus 40 °C auf die Resonanzfrequenz des Ultraschallkonverters 3 abgestimmt. Um den Wärmeübergang von der Sonotrode 4 zum Ultraschallkonverter 3 zu verhindern, wird, wie in 1 dargestellt, zwischen der So notrode 4 und dem Ultraschallkonverter 3 ein Kühlelement 2 angeordnet. Die Sonotrode 4 wird mit dem Kühlelement 2 und dem Ultraschallkonverter 3 mittels form- und kraftschlüssiger Schraubverbindungen mit Flächenpressung schwingungsübertragend verbunden. Das Kühlelement 2 wird ebenfalls auf die Resonanzfrequenz des Ultraschallkonverters 3 abgeglichen.
  • Nach 3 ist die Sonotrode 4 als zylindrischer Körper mit planen Stirnseiten 6 ausgebildet. Im Schwingungsmittelpunkt der Sonotrode 4 ist ein ringförmiger, umlaufender aber unterbrochener Bund angeordnet, so dass Bundsegmente 7 verbleiben. Innerhalb dieser Bundsegmente 7 befinden sich, geometrisch gleichmäßig am Umfang verteilt die Heizmediumeintrittsöffnungen 8, die sich damit ebenfalls im Schwingungsnullpunkt befinden. Diese Heizmediumeintrittsöffnungen 8 sind mit dem Heizbohrungs- und Kanalsystem im Inneren der Sonotrode 4 verbunden, wodurch eine gute Wärmeleitung durch das Heizmedium in der Sonotrode 4 ermöglicht wird ohne die Schwingfähigkeit zu beeinträchtigen.
  • Die Heizkanalbohrungen 9 für den Heizmediumstrom sind auf einem Teilkreis gleichmäßig und nahe am Umfang verteilt, von der Seite des Ultraschallkonverters 3 her als tiefe Grundlochbohrungen axial bis kurz vor das Ende in die Sonotrode 4 eingebracht. An diesem Ende werden auf diese axialen Heizkanalbohrungen 9 vom Umfang der Sonotrode 4 her Austrittsbohrungen 10 eingebracht, so dass jeweils durchgängige Heizkanäle entstehen, 4, 5.
  • Diese Anordnung der Heizkanäle in der Sonotrode 4 ermöglicht eine aktive Wärmeverteilung ins Innere der Sonotrode 4, die deutlich besser ist als eine Wärmeverteilung von einer von außen erwärmten Mantelfläche.
  • Am schwingungserzeugerseitigen Ende der Sonotrode 4 ist eine kanalförmige Ausdrehung 11 so eingebracht, dass die Heizkanalbohrungen 9 in dieser Ausdrehung liegen und bei der Verbindung der Sonotrode 4 mit dem Kühlelement 2 über den nunmehr gebildeten Verteilerkanal in Verbindung stehen, 3, 4. Die Anordnung der Heizkanalbohrungen 9 ist im Ausführungsbeispiel kreisförmig gewählt. Sie kann aber auch sternförmig oder frei gestaltet sein.
  • Von den Heizkanalbohrungen 9 sind vier, sich jeweils gegenüberliegende Bohrungen, als Heizmediumzuführungsbohrungen 12 ausgebildet. Diese Bohrungen werden in der Tiefe nur bis zur Mitte der Sonotrode 4 geführt und dort vom Umfang her radial angebohrt. Diese Heizmediumzuführungsbohrungen 12 sind damit so angeordnet, dass eine schwingungsfreie Ankopplung des Wärmeerzeugers 5 gewährleistet ist und die Schwingfähigkeit der Sonotrode 4 nicht beeinträchtigt wird. Die Stelle der schwingungsfreien Ankopplung befindet sich so im Schwingungsknoten der in Resonanz schwingenden Sonotrode 4. Das vom Wärmeerzeuger 5 bereitgestellte Heizmedium, die erhitzte Druckluft, kann die Sonotrode 4 durch die Heizkanalbohrungen und -kanäle 8, 9, 10, 11 durchströmen und mit einem hohen Wirkungsgrad erwärmen.
  • Der Wärmeerzeuger 5 ist eine konstruktiv selbständige Teilegruppe und ist als zylindrischer Körper mit kreisringförmigem Querschnitt ausgebildet, 2. Sein Innendurchmesser ist größer als der Außendurchmesser der Sonotrode 4 und so ausgelegt, dass der Wärmeerzeuger 5 wie ein Mantel um die Sonotrode 4 angeordnet ist und zwischen dem Wärmeerzeuger 5 und Sonotrode 4 noch ein definierter Ringspalt 13 verbleibt. Die Fixierung des Wärmeerzeugers 5 an der Sonotrode 4 erfolgt durch vier gleichmäßig im Innenumfang des Wärmeerzeugers eingearbeitete Verschlussausnehmungen 14, die gemeinsam mit den am Umfang der Sonotrode 4 angeordneten Bundsegmenten 7 nach Art eines Bajonettverschlusses zusammenwirken und so eine formschlüssige Verbindung bilden.
  • Die formschlüssige Verbindung zwischen der Sonotrode 4 und dem Wärmeerzeuger 5 ist dabei so platziert, dass eine quasi schwingungsfreie Ankopplung vorliegt, d.h. die Positionierung des Formschlusses befindet sich im Schwingungsknoten der in Resonanz schwingenden Sonotrode 4.
  • Im Wärmeerzeuger 5 ist ein System von geometrisch gleichmäßig verteilten, axialen und miteinander verbundenen Aufheizbohrungen 15 und Aufnahmebohrungen 16 zur Aufnahme von Heizpatronen 17 eingebracht, die zum Durchströmen bzw. Aufheizen des Heizmediums vorgesehen sind. Die Aufheizbohrungen 15 münden in einen in der Mitte und im Inneren des Wärmeerzeugers 5 umlaufenden Sammelkanal 18, der wiederum im Schwingungsknoten der Sonotrode 4 über die Verschlussausnehmungen 14 mit dieser verbunden ist, 8.
  • Als Heizmedium dient Druckluft, die über zwei Luftanschlüsse 19 am Umfang des Wärmeerzeugers 5 in das Aufheizbohrungssystem 15 eingeleitet wird.
  • Die Erwärmung des Schwingwerkzeuges 1 auf eine gewünschte Temperatur von 300 °C erfolgt nun folgendermaßen.
  • Der Wärmeerzeuger 5 wird durch die Heizpatronen 17 auf eine Temperatur von 380 °C erwärmt. Über die Luftanschlüsse 19 wird nun konventionelle Druckluft aus einem Luftversorgungssystem in den Wärmeerzeuger 5 geleitet, die das Aufheizbohrungssystem 15 im Inneren des Wärmeerzeugers 5 mäanderförmig durchströmt und so in kurzer Zeit aufgeheizt wird. Die aufgeheizte Druckluft strömt vom Sammelkanal 18 im Bereich der Verschlussausnehmungen 14 aus dem Wärmeerzeuger 5 in die Sonotrode 4, wo sie die im Inneren der Sonotrode 4 eingebrachten Heizkanalbohrungen 12, 11 und 9 durchströmt und ihre Wärmeenergie dabei an die Sonotrode 4 abgibt.
  • Dadurch, dass der Wärmeerzeuger 5 die Sonotrode 4 mantelförmig umhüllt, erfolgt noch eine weitere Erwärmung der Sonotrode 4 von außen durch Wärmeleitung, -strahlung und -konvektion. Gleichzeitig wird die Wärmeabgabe der Sonotrode 4 durch die umhüllende Form des Wärmeerzeugers 5 minimiert.
  • Die erhitzte Druckluft strömt in der Sonotrode 4 zunächst in Richtung des Ultraschallkonverters 3 und verteilt sich über den Verteilerkanal 11 in alle Heizkanalbohrungen 9, durchströmt die Sonotrode nun bis zum entgegengesetzten Ende und tritt dort dann aus den Austrittsbohrungen 10 aus. Durch den Ringspalt 13 zwischen dem Wärmeerzeuger 5 und der Sonotrode 4 wird die noch heiße austretende Druckluft nun zwangsweise entlang der Mantelflächen zurück in Richtung des Ultraschallkonverters 3 geleitet. Sie nimmt dabei von der inneren Mantelfläche des Wärmeerzeugers 5 erneut Wärme auf, gibt sie an die äußere Mantelfläche der Sonotrode ab und wärmt so die Sonotrode von außen weiter. An der Konverterseite der Sonotrode 4 tritt die Druckluft aus dem Ringspalt 13 nun als Abluft nach außen aus.
  • Ausführungsbeispiel 2
  • Das schwingende System besteht nach 9 aus einer beheizten Sonotrode 4, aus einem Bitemperaturelement 20, aus einem Ultraschallkonverter 3 und einer externen Heizung 21 und ist zum Einsatz bei Arbeitstemperaturen der Sonotrode bis 100 °C geeignet.
  • Die Sonotrode 4 wird bei einer Betriebstemperatur von 100 °C plus/minus 20 °C auf die Resonanzfrequenz des Ultraschallkonverters 3 abgestimmt. In der Sonotrode 4 sind Heizkanalbohrungen 9 eingebracht, die über die kanalförmige Ausdrehung 11 in der Stirnseite der Sonotrode 4 in Verbindung stehen. Die Wärmeübertragung zur Sonotrode 4 erfolgt über das Bitemperaturelement 20, welches ebenfalls in Resonanz schwingen muss.
  • In das Bitemperaturelement 20 sind zwei voneinander getrennte und jeweils in einer Hälfte angeordnete Bohrungs- und Kanalsysteme eingearbeitet. Das Heizkanalbohrungssystem 22 ist in der zur Sonotrode 4 hin gerichteten Hälfte des Bitemperaturelementes 20 angeordnet, während das Kühlkanalbohrungssystem 23 in der zum Ultraschallkonverter 3 hin gerichteten Hälfte eingebracht ist. In diesen Systemen durchfließen das Bitemperaturelement 20 jeweils hälftig ein Heizmedienstrom 24 und ein Kühlmedienstrom 25.
  • Als Heizmedium wird Druckluft verwendet, die in einer externen Heizung 21 auf die gewünschte Arbeitstemperatur aufgeheizt und dem Bitemperaturelement 20 im Schwingungsknoten zugeführt wird. Als Kühlmedium wird Druckluft mit Raumtemperatur verwendet, die ebenfalls im Schwingungsknoten in das Bitemperaturelement 20 eingeführt wird. Das Heizmedium wie auch das Kühlmedium strömen jeweils über Austrittsbohrungen 10 aus der Sonotrode 4 bzw. aus der Kühlseite des Bitemperaturelementes 20 als Abluft in die Umgebung.
  • Die Sonotrode 4, das Bitemperaturelement 20 und der Ultraschallkonverter 3 werden mittels formschlüssiger Schraubverbindungen mit Flächenpressung verbunden. Alle teile des Schwingsystems schwingen in Resonanz.
    • 1
    beheiztes Schwingwerkzeug
    2
    Kühlelement
    3
    Ultraschallkonverter
    4
    Sonotrode
    5
    Wärmeerzeuger
    6
    Stirnseiten
    7
    Bundsegmente
    8
    Heizmediumeintrittsöffnungen
    9
    Heizkanalbohrungen
    10
    Austrittsbohrungen
    11
    Kanalförmige Ausdrehung
    12
    Heizmediumzuführungsbohrungen
    13
    Ringspalt
    14
    Verschlussausnehmungen
    15
    Aufheizbohrungen
    16
    Aufnahmebohrungen
    17
    Heizpatronen
    18
    Sammelkanal
    19
    Luftanschlüsse
    20
    Bitemperaturelement
    21
    Externe Heizung
    22
    Heizkanalbohrungssystem
    23
    Kühlkanalbohrungssystem
    24
    Heizmediumstrom
    25
    Kühlmediumstrom

Claims (5)

  1. Beheiztes Schwingwerkzeug zum Einsatz in schwingenden Systemen, insbesondere für in Resonanz arbeitende Ultraschallschwingsysteme im Frequenzbereich von 20 – 70 kHz zum Schweißen und Fügen von Kunststoffhalbzeugen und Formteilen, da durch gekennzeichnet, dass das beheizte Schwingwerkzeug (1) aus einer beheizten Sonotrode (4) und einem zugehörigen Wärmeerzeuger (5) aufgebaut ist und der Wärmeerzeuger (5) konzentrisch zur Sonotrode (4) angeordnet ist und die Sonotrode (4) als Mantel umschließt, dass die beheizte Sonotrode (4) als zylindrischer Körper mit planen Stirnseiten (6) ausgebildet ist und ihre geometrischen Abmessungen so angepasst sind, dass die Resonanzschwingfrequenz des Schwingungserzeugers bei Einsatztemperatur erreicht wird und die Sonotrode (4) und alle weiteren Komponenten des Schwingsystems wie Ultraschallkonverter, Booster und Kühlelement in Resonanz schwingen können, dass im Schwingungsnullpunkt der Sonotrode (4) ein ringförmig umlaufender aber unterbrochener Bund angeordnet ist , so dass Bundsegmente (7) gebildet werden, dass im Inneren der Sonotrode (4) ein System von Bohrungen (9, 10, 12) und Kanälen (11) zum Durchfluss für ein Heizmedium eingearbeitet sind und die Heizkanalbohrungen (9) auf einem Teilkreis gleichmäßig und nahe dem Umfang verteilt angeordnet sind und von der Seite des Ultraschallkonverters (3) her als tiefe Grundlochbohrungen axial bis kurz vor das Ende der Sonotrode (4) verlaufen und dass an diesem Ende auf diese axialen Heizkanalbohrungen (9) vom Umfang der Sonotrode (4) her Austrittsbohrungen (10) eingebracht werden, so dass jeweils durchgängige Heizkanäle entstehen, dass von den Heizkanalbohrungen (9) eine oder mehrere Bohrungen als Heizmediumzuführungsbohrungen (12) ausgebildet sind und in der Tiefe nur bis zur Mitte der Sonotrode (4) geführt und dort vom Umfang her radial angebohrt werden, dass der Wärmeerzeuger (5) als zylindrischer, im Querschnitt ringförmiger Körper ausgebildet ist, wobei seine Grundfläche an die äußere Form der Sonotrode (4) angepasst ist und er die Mantelfläche der Sonotrode (4) räumlich umschließt, wobei der Innendurchmesser des Wärmeerzeugers (5) größer als der Außendurchmesser der Sonotrode (4) ist und zwischen dem Innendurchmesser des Wärmeerzeugers (5) und dem Außendurchmesser der Sonotrode (4) ein definierter Ringspalt (13) entsteht, dass im Inneren des Wärmeerzeugers (5) gleichmäßig verteilt, entlang der umlaufenden Mantelfläche, Aufnahmebohrungen (16) zur Aufnahme von Heizpatronen (17) angeordnet sind und der Wärmeerzeuger (5) mittels dieser Heizpatronen (17) aufgeheizt wird, dass zwischen den Heizpatronen (17) im Wärmeerzeuger (5) Aufheizbohrungen (15) eingebracht sind, die durch stirnseitige Verbindungskanäle im Wärmeerzeuger (5) so miteinander verbunden sind, dass im Wärmeerzeuger (5) ein mäanderförmiges Heizbohrungssystem entsteht, wodurch das Heizmedium mehrfach zwischen den Heizpatronen (17) entlang geleitet wird und diese Aufheizbohrungen (15) in einem Sammelkanal (18) münden, dass in der inneren Mantelfläche des Wärmeerzeugers (5) zwei oder mehrere Verschlussausnehmungen (14) angeordnet sind, die mit dem Sammelkanal (18) korrespondieren und die gemeinsam mit den am Umfang der Sonotrode (4) angeordneten Bundsegmenten (7) nach Art eines Bajonettverschlusses zusammenwirken und die Fixierung des Wärmeerzeugers (5) an der Sonotrode (4) im Schwingungsknoten der Sonotrode (4) erfolgt,
  2. Beheiztes Schwingwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizmedium erhitzte Druckluft ist.
  3. Beheiztes Schwingwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Heizkanalbohrungen (9) kreisförmig, sternförmig oder frei gestaltet ist.
  4. Beheiztes Schwingwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an der äußeren Mantelfläche des Wärmeerzeugers (5) ein oder mehrere Luftanschlüsse (19) angeordnet sind, die mit den Aufheizbohrungen (15) korrespondieren.
  5. Beheiztes Schwingwerkzeug zum Einsatz in schwingenden Systemen, insbesondere für in Resonanz arbeitende Ultraschallschwingsysteme im Frequenzbereich von 20 – 70 kHz zum Schweißen und Fügen von Kunststoffhalbzeugen und Formteilen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Sonotrode (4) und dem Ultraschallkonverter (3) ein Bitemperaturelement (20) angeordnet ist und die Beheizung der Sonotrode (4) bis zu einer Temperatur von 100 °C über das Bitemperaturelement (20) erfolgt, dass in das Bitemperaturelement (20) zwei voneinander getrennte und jeweils in einer Hälfte angeordnete Bohrungs- und Kanalsysteme (22) und (23) eingearbeitet sind, wobei das Heizkanalbohrungssystem (22) in der zur Sonotrode (4) hin gerichteten Hälfte des Bitemperaturelementes (20) und das Kühlbohrungssystem (23) in der zum Ultraschallkonverter (3) hin gerichteten Hälfte des Bitemperaturelementes (20) angeordnet sind und dass das Bitemperaturelement (20) jeweils hälftig ein Heizmediumstrom (24) und ein Kühlmediumstrom (25) durchströmt.
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