DE1296357B - Ultraschall-Schweissvorrichtung fuer thermoplastische Folien - Google Patents

Ultraschall-Schweissvorrichtung fuer thermoplastische Folien

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DE1296357B
DE1296357B DEK56916A DEK0056916A DE1296357B DE 1296357 B DE1296357 B DE 1296357B DE K56916 A DEK56916 A DE K56916A DE K0056916 A DEK0056916 A DE K0056916A DE 1296357 B DE1296357 B DE 1296357B
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DE
Germany
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housing
welding
intermediate piece
spring
nickel
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English (en)
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Deans Howard
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Kleer-Vu Industries Inc
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Kleer-Vu Industries Inc
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Description

1 2
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine den üblicherweise meist dort verwandt, wo größere Ultraschall-Schweißvorrichtung für thermoplastische Bewegungsstrecken zu überwinden sind. Folien, bei der ein druckbelasteter und ultraschall- Die Verwendung einer Parallelogrammaufhängung
beaufschlagter Schweißhammer im Zusammenwirken für das Gehäuse bietet einen weiteren Vorteil in der mit einer als Amboß dienenden Auflage den Schweiß- 5 Möglichkeit, daß die den Schweißdruck erzeugende Vorgang bewirkt und ein Ultraschallwandler, der mit Feder an einem langen Hebelarm am Gehäuse an-Erregerspulen versehene Nickellamellen aufweist, greift und die andere als Gegendruckfeder an einem verwendet wird. kurzen Hebelarm der Parallelogrammaufhängung an-
Eine solche Schweißvorrichtung ist in der deut- greift, wobei der Vorteil darin besteht, daß durch sehen Patentschrift 834 899 offenbart. Während die io diese Federanordnung eine sehr genaue Regulierung bekannte Schweißvorrichtung je nach Dicke des zu des Schweißdruckes möglich ist. verschweißenden Materials und nach Größe der Ein weiterer für eine günstige Arbeitsweise der
Schweißfläche etwa 7 bis 30 Sekunden benötigt, was Schweißvorrichtung wichtiger Vorteil ist dadurch zu für eine rationelle Arbeitsweise viel zu langsam ist, erreichen, daß das untere Ende der Nickellamellen besteht die der vorliegenden Erfindung zugrunde 15 mit einem konischen Zwischenstück verschweißt sind, liegende Aufgabe darin, eine Schweißvorrichtung zu dessen konische Seitenwände auf entgegengesetzt schaffen, die eine wesentlich höhere Schweißleistung konisch verlaufende Stützen einer im Gehäuse verti- und rationellere Arbeitsweise ermöglicht und die kai federnd gelagerten Stützscheibe stoffschlüssig aufeinen großen Anwendungbereich zuläßt. gesetzt sind, wobei am unteren schmaleren Ende des Der Seite 3 und anderen Stellen der ursprünglichen ao Zwischenstücks der Schweißhammer formschlüssig Beschreibungsunterlagen ist zu entnehmen, daß die befestigt ist.
erfindungsgemäße Schweißvorrichtung arbeitet deshalb Dadurch wird eine sehr gute und vor allem in
nicht mit einer verhältnismäßig niedrigen Frequenz schwingungstechnischer Hinsicht günstige Verbinvon 7600 Hertz, wie das Gerät der deutschen Patent- dung zwischen dem Wandler und dem Gehäuse herschrift 834 899, sondern mit wesentlich höheren 25 gestellt.
Frequenzen, deren untere Grenze etwa bei 18 kHz Damit ist es auch möglich, ein weiteres, sehr vorliegt und deren günstigster Frequenzbereich etwa teilhaftes Merkmal zu erzielen, das darin besteht, zwischen 20 und 30 kHz liegt. daß die Verbindung zwischen der Stützscheibe und
Für ein Gerät mit einer großen Arbeitsleistung und dem Zwischenstück, d. h. die Verbindung zwischen einer Arbeitsfrequenz in dieser angegebenen Höhe 30 dem Gehäuse und dem Wandler, an einem Schwinreichen aber die aus der deutschen Patentschrift gungsknoten des Schwingungssystems angeordnet 834 899 zu entnehmenden primitiven konstruktiven sein kann, wo die Bruchgefahr am geringsten ist. Mittel nicht aus. Für die Erzielung einer solch hohen Es ist ebenfalls vorteilhaft für eine gute Arbeits-
Arbeitsleistung sind vielmehr besonders günstige kon- weise des Gerätes, wenn das Zwischenstück aus struktive Maßnahmen erforderlich. 35 Monelmetall besteht und die Stützscheibe aus Mes-
Solche Maßnahmen sind erfindungsgemäß dadurch sing, d. h. aus einem magnetisch nicht leitendem gekennzeichnet, daß der Wandler in einem rohr- Material und diese beiden Teile miteinander hartförmigen Gehäuse befestigt ist, das in einer Längs- verlötet sind.
führung axial beweglich gelagert ist und zu- Wie bekannt, führen hochfrequente Schwingungen
sammen mit in axialer Richtung gegeneinander wir- 40 insbesondere in harten Materialien auf Grund der kenden vorgespannten Federn ein Schwingungssystem nie ganz zu vermeidenden Materialspannungen leicht bildet. zu Brüchen. Um dieser Bruchgefahr vorzubeugen,
Damit wird den wesentlichen Teilen des Schweiß- ist in weiterer Ausbildung der Erfindung vorgesehen, gerätes zunächst einmal die nötige Stabilität bezug- daß die Stützscheibe im unteren Teil des Gehäuses lieh ihrer Führung und Lagerung gegeben und ande- 45 in einem Flanschansatz passend gelagert ist, wobei rerseits die Voraussetzung dafür geschaffen, daß in sie sich auf ihrer Oberseite an einem Ringansatz dem für eine hohe Arbeitsleistung günstigsten Fre- des Gehäuses und auf ihrer Unterseite auf Klemmquenzbereich gearbeitet werden kann. federelementen abstützt.
In weiterer Ausbildung der Erfindung ist vorge- Dadurch wird erreicht, daß zwar der Arbeitsdruck,
sehen, daß die Federn als Schrauben-Druck-Federn 50 der von der Druckfeder auf das Gehäuse ausgeübt ausgebildet sind und sich einerseits an dem Gehäuse wird, direkt durch eine praktisch starre Verbindung und andererseits an einem starren Gestellteil in zwischen Gehäuse, Zwischenstück und Schweißhamaxialer Richtung des Gehäuses abstützen und ihre mer auf den Schweißhammer übertragen wird, daß Vorspannung justierbar ist. aber andererseits die Vibrationsstöße des Ultra-
Damit ist die weitere Möglichkeit geschaffen, den 55 schallwandlers durch eine elastische Verbindung auf für die Schweißung am Schweißhammer notwendigen das Gehäuse übertragen werden. Arbeitsdruck genau einstellen zu können, so daß für Da bei einem längeren ununterbrochenen Arbeiten
jedes Material und jede Anwendungsart des Gerätes der Schweißvorrichtung bei voller Leistung eine Erdie optimalen Arbeitsvoraussetzungen erreichbar sind. wärmung des Wandlers ohne zusätzliche künstliche Zweckmäßig ist es dabei, die Längsführung des 60 Kühlung nicht zu vermeiden wäre, ist in weiterer Gehäuses als Parallelogrammaufhängung auszubilden Ausbildung der Erfindung vorgesehen, daß das Ge- oder als Axial-Endlos-Kugellager. häuse die Nickellamellen mit den Erregerspulen nicht
Bezüglich der Parallelogrammaufhängung sei noch eng umschließt, sondern sie in einem Abstand umerwähnt, daß es keineswegs naheliegend ist, diese gibt und ein Gebläserohr kleineren Durchmessers für die Aufhängung des Gehäuses eines Ultraschall- 65 die Nickellamellen aufnimmt, das koaxial zum Gewandlers zu benutzen, da die Bewegungen, die von häuse angeordnet ist und unten offen über dem dem Gehäuse ausgeführt werden, etwa zwischen 20 Zwischenstück endet, und 30 μ liegen. Parallelogrammaufhängungen wer- In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel
dargestellt, das im folgenden näher erläutert wird.
In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen in allen Ansichten gleiche Teile. Es zeigt
F i g. 1 eine seitliche Perspektivansicht einer Ultraschallschweißvorrichtung, F i g. 2 einen Teil der F i g. 1 in Seitenansicht, F i g. 3 eine Ansicht der F i g. 2 längs der Linie 3-3,
F i g. 4 einen vertikalen Schnitt längs der Linie 4-4 der F i g. 2,
F i g. 5 einen vertikalen Schnitt längs der Linie 5-5 der F i g. 3,
F i g. 6 einen um 90° versetzten Teilschnitt durch den Wandler der F i g. 5,
F i g. 7 eine Seitenansicht in vergrößertem Maßstab, der Spitze des Werkzeuges und des Ambosses,
F i g. 8 einen Schnitt 8-8 der F i g. 7 in vergrößertem Maßstab,
F i g. 9 einen Schnitt in vergrößertem Maßstab durch eine fertiggestellte Schweißnaht.
In F i g. 1 ist ein Wandlerkopf A dargestellt mit ao einem unteren Gehäuseteil B, welcher ein konisches Werkzeug C trägt. Der Wandlerkopf A mit dem GehäuseteilB wird von den Ständern!) getragen. Eine elektrische Antriebseinheit E erzeugt eine Frequenz von 25 kHz. In der Ausführungsform der F i g. 1 ist ein langer Stangenamboß F auf Endstützen G vorgesehen, von denen dieser abgehoben werden kann. Die Spitze des Werkzeugs C ist in Arbeitsstellung dargestellt und erzeugt in einem Mylar- und Polyäthylenterephthalatband J eine Schweißnaht H. Der gesamte Stangenamboß F mit den Seitenstützen G ist auf einer Gleitbahn K in der Richtung L unter dem Amboß beweglich gelagert. Ein geeigneter Antrieb M ist teilweise auf der linken Seite der F i g. 1 gezeigt.
F i g. 2 zeigt das Innere des Wandlerkopfes A und Gehäuseteils B der F i g. 1, ist ein Wandlergehäuse JV vorgesehen, und ein nach unten gerichtetes Werkzeug C. Das Wandlergehäuse JV ist lotrecht mittels einer Parallelogrammaufhängung P an einem Vertikalschlitten aufgehängt. Der Vertikalschlitten Q ist am Gleitstück 62 befestigt, das auf einer Säule R sitzt, die ihrerseits auf einer Standplatte 5 ruht, welche in der Ausführungsform der F i g. 2 und 3 den Amboß bildet.
Es sind ein Handhebel T, ein Manometer U und eine Belastungsfeder V vorhanden. Eine Gegengewichtsfeder W greift an einem kurzen Hebelarm eine Schwinge der Parallelogrammaufhängungen an. Außerdem ist ein AnschlagX (Fig. 3, 5) zur Begrenzung der vertikalen Abwärtsbewegung vorgesehen. Ein auf einer Tragplatte Y sitzendes Gebläse Z liefert die erforderliche Kühlluft.
In F i g. 4, 5 und 6 ist der konstruktive Aufbau des Wandlers im einzelnen dargestellt. Ein Nickellamellenpaket20 befindet sich in einem Rohr 22, das an seinem oberen Ende an der Unterfläche 23 der Tragplatte Y anliegt und durch einen Flansch 24 mit der Tragplatte Y verbunden ist. Die Tragplatte Y trägt auch das untere mit einem Flansch 25 versehene Ende eines Rohres 26, welches mit dem Gehäuse 27 des Kühlgebläses Z verbunden ist. Zur Befestigung der Flansche 24 und 25 der beiden Rohre 22 und 26 dienen Schrauben 28. Das Nickellamellenpaket 20 ist von einer Spule 29 umgeben, deren Zuleitungsdrähte 30 mit 30 bezeichnet sind. Das Nickellamellenpaket 20 trägt durch eine Hartlötverbindung bei 31 verbunden ein konisches Zwischenstück 32, vorzugsweise aus Monelmetall. Das untere Ende des Zwischenstücks 32 hat eine Gewindeverbindung 33 mit dem Werkzeug C. Im oberen Teil des Zwischenstücks 32 (F i g. 3, 4 und 5) ist an dessen Umfang bei 34 ein konischer Teil 35 einer Stützscheibe 35 aus Messing durch Hartlöten befestigt. Diese Hartlötstelle 34 liegt möglichst genau in einem Schwingungsknoten.
Die Stützscheibe 35 wird durch Klemmfedern 38, deren Nasen 39 gegen die Unterseite 36 der Stützscheibe drücken und die durch Schrauben 40 einen zylindrischen Bund 41 des Wandlergehäuses befestigt sind, gegen die Schulter 37 gedrückt.
Die Schwingen der Parallelogrammaufhängung P haben öffnungen 55 und 56, durch welche sich das röhenförmige Wandlergehäuse JV erstreckt.
Die Schwingen sind vermittles Lagern und Stiftschrauben 57 bei im Vertikalschlitten Q gelagert und an den freien Enden bei 58 (F i g. 2 und 5) mit dem Wandlergehäuse JV verbunden. Normalerweise sind bei 57 Kugellager in den Schwingen und jeweils eine Ansatzschraube im Vertikalschlitten vorgesehen, während bei 58 die Kugellager im Wandlergehäuse N und die Ansatzschrauben in den Schwingen angebracht sind. Die Lager des Wandlergehäuses JV sind in vergrößerten und vorstehenden Ohren 59 und 60 (F i g. 2 und 3) auf der von der Säule R abgekehrten Vorderseite untergebracht. Die Tragplatte Y ist bei 61 (F i g. 2 und 5) auf dem Vertikalschlitten Q befestigt. Das Gleitstück 62 weist eine Rückwand 63 mit Gehäusehaltern 64 auf (F i g. 2 und 5). Hinter der Rückwand 63 sitzt das Gleitstück 62 auf, welches vermittels der Kurbel 65 einer Stange 66 auf und ab bewegbar auf dem Führungsteil 67 gelagert ist.
Der Führungsteil 67 hat einen Flansch 68 (siehe F i g. 2), an dem sich ein Säulenspanner, bestehend aus den Teilen 69 und 70, die eine gespaltene zylindrische Hülse mit nach außen ragenden Ohren 71 an der Seite bilden, ausschließt. Diese Ohren 71 sind durch die Schraube 72 und eine Mutter 73 verspannt.
Das Manometer U (Fig. 3) ist durch Schrauben 79 auf einem Querrahmen74 montiert, der durch Seitenteile 75, welche nach hinten in den breiter werdenden Teil 76 übergehen, und mit Schrauben 77 auf den Vertikalschlitten Q geschraubt ist (F i g. 5). Der einstellbare Anschlag X besteht aus einer Schraube 92 (F i g. 3 und 5), die durch eine Öffnung 81 in der Tragplatte Y ragt und in eine Gewindebohrung 83 des Wandlergehäuses JV eingeschraubt ist. Die Belastungsfeder V ist auf einem senkrechten Flanschbolzen 84 geführt (s. F i g. 2 und 3), welcher von unten durch eine Bohrung 85 der oberen Tragplatte Y ragt und einen Gewindeteil 86 hat, auf welchem eine Druckscheibe 87 verstellbar angeordnet ist und an der sich das obere Ende der Belastungsfeder V abstützt.
Das untere Ende der Belastungsfeder V drückt gegen die obere Stirnfläche 88 des Wandlergehäuses JV, und der Druck der Feder kann durch Einstellen der Lage der Druckscheibe 87 variiert werden. Diese Belastungsfeder bewirkt den Arbeitsdruck des Werkzeugs C. Die Gegengewichtsfeder W umgibt den unteren Teil einer Gewindestange 89, welche einen unteren Kopf 90 hat, auf dem sich das untere Ende 91 der Feder abstützt. Das obere Ende der Feder wirkt auf die Unterseite 92 der oberen Schwinge P der Parallelogrammaufhängung. Diese Gewindestange 89 durchragt frei eine Bohrung 93 der oberen
Schwinge P und eine Bohrung 94 der Tragplatte Y. Durch eine Mutter 95 wird sie in der eingestellten Lage festgehalten. Das obere Ende der Gewindestange 89 hat einen Querschlitz 96. Die Gegengewichtsfeder W steht normalerweise unter einer gewissen eingestellten Kompression, durch die Mutter 95 eingestellten Vorspannung.
Das Wandlergehäuse N kann auch gelagert oder geführt sein durch axiale Endlose-Kugellager 125, welche in Ausnehmungen 126 in einem Hülsenteil 127 eines Tragarmes 133 gelagert sind. In diesem Falle werden eine innere Reihe 128 und die äußere Reihe 129 von Kugellagern gebildet, die durch Zwischenbleche 130 getrennt sind, wobei die Kugeln durch die Ausnehmungen 126 gebildeten Käfige 131 umlaufen können.
Die Kugeln berühren die Außenfläche 132 des Wandlergehäuses N und bilden eine Führung für eine vertikale Auf- und Abbewegung.
In F i g. 7 und 8 ist gezeigt, wie eine Überlappschweißnaht gebildet wird. Zwei dünne Kunststofffolien 155 und 156, z. B. aus Nylon, Polyäthylentherephthalat oder Mylar (6 bis 250 μΐη), polyäthylenbeschichtetem Mylar, Polyvinylchlorid, Polypropylen oder Polyäthylen werden quer zur abgerundeten Kante 158 am unteren Ende des Werkzeugs C eingeführt. Die Breite der Überlappung kann 0,25 bis 0,75 mm betragen; sie ist mit 159 in F i g. 8 angedeutet. Ein Treibrad 160, welches auf einer Welle 161 in der Richtung 162 angetrieben wird, kann eine geriefte oder aufgerauhte Oberfläche 163 haben.
Die gebildete entstehende Schweißnaht ist in F i g. 9 im Querschnitt gezeigt, wobei sich die Überlappung auf den mit 166 bezeichneten Bereich erstreckt und die verschweißten Flächen, wie bei 167 angedeutet, schräg durch die Schweißnaht zwischen den beiden Folien oder Streifen 155 und 156 verlaufen.
Bei der gezeigten Ausführungsform führt das Werkzeug keine Vorschubbewegung aus, während das Material darunter fortbewegt wird. Die Verschweißung kann entweder mit einer thermoplastischen Folie oder mit einem thermoplastischen Überzug auf dünnen Foilen aus Metall, Papier oder anderen nichtultraschallverschweißbaren Materialien ausgeführt werden. Das wichtige Merkmal liegt darin, daß man eine Schwingungszahl von über 18 kHz hat, wobei das Optimum bei 25 kHz liegt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann verwendet werden für die Herstellung von Rohren, Muffen, Säcken und Hüllen und zur Verbindung verschiedener synthetischer Gewebe oder Bekleidungsartikel ohne Durchstechen. Sie ist weiter verwendbar für Nylon-, Dacron- oder Oriongewebe, wobei Wollmischungen weniger günstig sind.
Das Gerät kann auch verwendet werden zum Falten ohne Verschweißen mit einer Druckkraft von 1 bis 2 kp oder zum Verschweißen mit einer Druckkraft von 3 bis 4kp. Je nach der Form des Werkzeugs kann es auch zum Schneiden Anwendung finden.
Im allgemeinen schwinkt das Werkzeug in senkrechter Bewegung, und das Verschweißen kommt dadurch zustande, daß die beiden überlappend aufeinandergelegten Kunststoffe zusammen gegen einen festen Amboß gehämmert werden. Der feste Amboß muß genügend Masse haben, um Ultraschallenergie zu absorbieren.

Claims (12)

Patentansprüche:
1. Ultraschall-Schweißvorrichtung für thermoplastische Folien, bei der ein druckbelasteter, mit Ultraschall beaufschlagter Schweißhammer im Zusammenwirken mit einer als Amboß dienenden Auflage den Schweißvorgang bewirkt und ein Ultraschallwandler, der mit Erregerspulen versehene Nickellamellen aufweist, verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (20, 29) in einem rohrförmigen Gehäuse (N) befestigt ist, das in einer Längsführung axial beweglich gelagert ist und zusammen mit in axialer Richtung gegeneinander wirkenden vorgespannten Federn (V, W) ein Schwingungssystem bildet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federn (V, W) als Schrauben-Druck-Federn ausgebildet sind und sich einerseits am Gehäuse (N) und andererseits an einem starren Gestellteil (F) in axialer Richtung des Gehäuses abstützen und ihre Vorspannung justierbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsführung als Parallelogrammaufhängung (P) ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsführung als Axial-Endlos-Kugellager (F i g. 6) ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsführung an einem Vertikalschlitten (62) gelagert ist, der seinerseits an einem Ständer befestigt ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den Schweißdruck erzeugende Feder (V) an einem langen Hebelarm am Gehäuse (N) angreift und die andere (W) als Gegendruckfeder an einem kurzen Hebelarm der Parallelogrammaufhängung (P) angreift.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Federvorspannung ein Zeigermanometer vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Ende der Nickellamellen (20) mit einem konischen Zwischenstück (32) verschweißt ist, dessen konische Seitenwände auf entgegengesetzt konisch verlaufenden Stützen (35) einer im Gehäuse (N) vertikal federnd gelagerten Stützscheibe stoffschlüssig aufgesetzt sind, wobei am unteren schmaleren Ende des Zwischenstückes (32) der Schweißhammer (C) formschlüssig befestigt ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen den Stützen (35) der Stützscheibe und dem Zwischenstück (32) in einem Schwingungsknoten des Schwingungssystems liegt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenstück aus Monelmetall besteht.
11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützscheibe aus Messing besteht und im unteren Teil des Gehäuses (N) in einem Flanschansatz (41) passend gelagert ist, wobei sie sich auf ihrer Oberseite an einem Ringansatz (37) des Gehäuses (N) und auf ihrer Unterseite (36) auf Klemmfederelementen (38, 39) abstützt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (N) die Nickellamellen (20) mit der Erregerspule (29) mit Abstand umgibt und ein Gebläserohr (22) kleineren Durchmessers die Nickellamellen (20) mit der Erregerspule (29) aufnimmt, das koaxial zum Gehäuse (N) angeordnet und unten offen über dem Zwischenstück (32) endet.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
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