DE1804988A1

DE1804988A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden von Materialien

Info

Publication number: DE1804988A1
Application number: DE19681804988
Authority: DE
Inventors: Robertson Clifford Alton
Original assignee: Cavitron Corp
Current assignee: Cavitron Corp
Priority date: 1967-10-26
Filing date: 1968-10-24
Publication date: 1969-07-31
Also published as: GB1245009A; US3562041A; FR1591159A; DE1804988B2; DE1804988C3

Description

DR. ERICH NEUGEBAUER

PATENTANWALT 8 MÜNCHEN

8 MÜNCHEN 2β - POSTFACH 31 IRf)LQP₁P₁ TELEFON (08U) 292561/62

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lA-2165

2 4 GKT. 1968

Beschreibung

zu der Patentanmeldung

CAVITRON CORPORATION

11-40 Borden Avenue, Long Island City, New York 11101,

U.S.A.

betreffend

Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden von Materialien

Die Erfindung bezieht sich auf das Verbinden von Materialien, von denen wenigstens eines ein Thermoplast enthält, ohne Anwendung äußerer Wärme.

Ein Weg, thermoplastische Materialien oder Materialien, die ein Thermoplast enthalten, miteinander zu verbinden bzw. zu verschweißen, besteht darin, sie von einer äußeren Wärmequelle aus zu erwärmen, so daß das thermoplastische Material vjeich wird oder schmilzt und fließen kann. Wenn beide mit-

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einander zu verschweißende Materialien thermoplastisch sind und die Wärme ausreicht, beide zum Schmelzen zu bringen, verschmelzen beide Materialien miteinander und sind dann nach dem Erhärten fest miteinander verbunden. Wenn lediglich ein Material thermoplastisch oder dieses Material eine Mischung aus einem Thermoplast und einem anderen Material ist, kann immer noch eine Verbindung dann erreicht werden, wenn der andere Gegenstand eine Oberflächenstruktur fc besitzt, die ein Eindringen des geschmolzenen Thermoplaste in die Struktur des anderen Gegenstandes ermöglicht.

Zwar liefern die Verfahren, bei denen eine direkte äußere Wärmeanwendung zum Weichmachen oder Verschmelzen der thermoplastischen Materialien Anwendung findet, im allgemeinen befriedigende Resultate; dennoch haben diese Verfahren auch gewisse Nachteile, die zu schwierigen Problemen führen und manchmal die Anwendung dieser Verfahren unmöglich machen. Beispielsweise darf ein Gegenstand, bei dessen Herstellung zwei oder mehr Teile an sich gut miteinander durch Wärmeeinwirkung verschweißt werden können, keine solchen Materialteile enthalten, die unter der zum Schmelzen der Thermoplaste erforderlichen hohen Temperatur leiden wurden. Zu den weiteren Nachteilen gehören die hohen Kosten der Apparate, die man zum Herstellen der für die Warmeschweißung erforderlichen hohen Temperaturen benötigt, der Raumbedarf für die Anlage und das Erfordernis einer sorgfältigen Überwachung der

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Prozeßbedingungen, um zu vermeiden, daß die Materialien in Brand geraten oder eine Formänderung erfahren. Manchmal ist es bei Anwendung äußerer Wärme unmöglich, ein Abbrennen oder eine Formänderung zu vermeiden; dann muß man sowieso zu einer anderen Art der Herstellung der Verbindung greifen, die sich an sich weniger eignet und teuerer sein mag. In anderen Fällen muß man einen Kompromiß hinsichtlich der Gestaltung des Produktes machen, indem man solche Materialien, die an sich für die Zwecke des Gegenstandes am besten sind, wegläßt und stattdessen zu solchen Materialien übergeht, welche die Schmelzwärme aushalten können. Ebenso kommt es vor, daß man die Struktur, Geometrie oder die Abmessungen ändern muß, um den Gegenstand an den Prozeß anzupassen.

Es wurde bereits vorgeschlagen, Ultraschallenergie anstelle von Wärme zu verwenden, um solche Materialien, die Thermoplaste enthalten, miteinander zu verschweißen. Babel wird die Schwingungsenergie in lokalen Zonen in dem zu verbindenden Bereich in Wärme umgewandelt, ohne daß sonstige Materialabschnitte außer im Bereich der Schweißverbindung betroffen werden.

Als exemplarisch für die Technik der Verschweißung thermoplastischer Materialien unter Verwendung von Ultraschallener gie können die USA-Patente Nr. 3 224 915, 3 254 402 und 2 272 682 von Balamuth und anderen, angesehen werden; alle

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diese Patente sind im Besitze der Anmelderin. Diese Patente betreffen Verfahren und zugehörige Vorrichtungen zur Bildung von Schweißnähten, die entweder geradlinig sind oder solche geometrische Formen haben, die leicht entweder durch entsprechende Gestaltung des mit Ultraschall schwingenden Werkzeugs oder dadurch gewonnen werden können, indem man das Werkzeug relativ zum Werkstück bewegt. Die in diesen Patenten beschriebenen Techniken haben sich für die Zwecke, für die sie bestimmt sind, gut bewährt und geben dabei gute Resultate; sie eignen sich jedoch weniger zur BiI- ' dung von Schweißnähten auf relativ großen Zonen oder mit komplexer Geometrie, z.B. von Nähten, die sich rund um irregulär geformte Gegenstände erstrecken oder von solchen Nähten, die winkelig ausgebildet, gekrümmt oder mit winkelig einander zugeordneten Abschnitten versehen sind.

Des? Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue verbesserte Technik zur Verschweißung Von Materialien, von denen wenigstens eines ein Thermoplast enthält, zu schaffen, die sieh besonders zur Bildung von Schweißnähten irregulärer Formgebung eignet, jedoch außerdem auch zur Bildung von Schweißnähten relativ simpler geometrischer Gestalt verwendbar ist.

Allgemein können das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung in jeder Situation verwendet werden, in

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der eine einzige gerade oder nur mäßig gekrümmte Form eines Ultraschallwerkzeuges nicht mehr Anwendung finden kann. Ebenso dann, wenn die herzustellende Schweißnaht winkelig zueinander ausgerichtete Abschnitte enthält, wie rechtwinklige Formen und allgemein irgendeine Gestalt mit einer scharfen Ecke, sind Verfahren und Vorrichtung nach der Erfindung gegenüber den in den BaIamuth-Patenten beschriebenen Techniken vorzuziehen; denn I

dann zeigt die Erfindung die Besonderheit, eine Schweißnaht mit lediglich einem einzigen Verschweißungsschritt herstellen zu können, während bei zweckentsprechender Anwendung der Balamuth-Verfahren zur Herstellung derartiger Schweißnahtformen gewöhnlich mehrere Arbeitsschritte zur Herstellung der vollständigen Schweißnaht mit der gewünschten Geometrie erforderlich sind.

Mehr im einzelnen gehört zum Verfahren und zu der Vorrichtung nach der Erfindung die Anwendung einer hierfür geeigneten Ultraschallklinge bzw. eines Schweißwerkzeuges mit langgestreckter Arbeitsspitze bzw. langgestrecktem Arbeitsscheitel, wie beispielsweise die im USA-Patent

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Nr. 3 113 225 von Kleesattel und anderen, beschriebenen Werkzeuge. Die zu verbindenden Materialien werden allgemein quer in Bezug auf die längere Dimension des Werkzeuges bewegt und dabei gegen den Arbeitsscheitel gedrückt; dabei wird ein Kraftmuster zwischen den zu verbindenden Teilen bei deren Durchgang unter dem Schweißwerkzeug hergestellt, das die Gestalt der zu bildenden Naht entwirft. Falls z.B. die zu verbindenden Gegenstände zwei Blätter aus relativ dünnem Material sind, wird die zwischen den beiden Blättern wirkende statische Kraft, welche die Nahtgestalt entwirft, mittels eines Widerlagers geschaffen, der eine erhöhte Oberfläche besitzt, welche das Nahtmuster definiert; das Widerlager wird dabei gemeinsam mit den zwei ihrerseits verbundenen Materialblättern relativ zum Ultraschallschweißwerkzeug bewegt.

In anderen Fällen kann die Gestalt der Naht mittels eines Elementes an einem der zu verbindenden Gegenstände definiert werden.

Beispielsweise kann der obere Rand eines Behälters als das Widerlager (der "Amboß") des Ultraschallwerk-

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zeuges dienen, während das andere Teil ein Verschluß des Behälters sein kann.

In jedem Falle werden die zu verbindenden Gegenstände und auch das das Muster schaffende Widerlager, falls ein solches Verwendung- findet, gemeinsam relativ zum Werkzeug bewegt, und die Naht wird fortschreitend geformt» während der das Muster bildende Plansch oder eine andere« das Muster schaffende Oberfläche das Werkzeug quert.

Bei der Bezugnahne auf die Bewegung der zu verschweißenden Gegenstände und des Musters relativ zum Werkzeug ist es natürlich selbstverständlich, daß alternativ entweder die zu verbindenden Gegenstände und die Oberflächenteile des Musters oder das Werkzeug selbst stationär sein können« während sich der jeweilige Partner relativ dazu bewegt.

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Zwar können auch andere geometrische Formen eines mit Ultraschall schwingenden Werkzeugs Verwendung findenj es ist jedoch vorteilhaft, ein Ultraschallwerkzeug mit geradem Arbeitsscheitel zu verwenden, da ein geradliniges Werkzeug gleichförmige Betriebsresultate liefert und preisgünstiger hergestellt werden kann als gekrümmte oder anders geformte Werkzeuge. Vorzugswelse wird in Bewegungsrichtung tischen den Arbeitsoberflächen des Arbeitsscheitels des Werkzeuges und dem Widerlager oder anderem. Gegenstück eine leichte Konvergenz geschaffen, um einen weicheren Eintritt und Durchhang der miteinander'zu verschweißenden Gegenstände durch di* Anlage zu erhalten.

Falls das Verfahren unu die Vorrichtung gemäß der Erfindung zum Verschweig, von r«i,_ativ flexiblen Materialien Verwendung findet, wie von ö1ü>nen K-^stetoffolien oder Tuch, kann es wünschenswert sein, eine Zusatzschwingun& „_VT) tiv niedriger Frequenz, beispielsweise" 1 bis 1000 Hertz, w hoher Amplitude entweder dem Werkzeug oder dem Widerlager oder einem anderen Gegenstück aufzuprägen, um intermittierend einen weiten Spalt zwischen diesen Teilen zu schaffen und so den Eintritt des Werkstüekmaterials zu erleichtern. Diese Technik kann auch Anwendung finden, um die Nahtform zu variieren, etwa um eine gebrochene Linie zu schaffen, die teilweise unterbrochen ist, oder eine andere variierende Nahtform.

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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung läßt sich gut in automatisierten Anlagen verwenden. Beispielsweise kann eine Reihe von Widerlagern von einem endlosen Tragband getragen werden, welches sie wiederholt und der Reihe nach an der Schweißstation vorbeiführt. Mittlerweile können die miteinander zu verschweißenden Gegenstände in geeigneter Weise der Schweißstation zugeführt und durch diese hindurchtransportiert werden und sich dann zu anderen Betriebsstationen weiterbewegen, beispielsweise zu einer Abscherstation, um einen Gegenstand aus den Bandmaterialien auszuschneiden, nachdem die gewünschten Nähte gebildet wurden.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist ihre vielseitige Anpassungsmöglichkeit. Einerseits kann das Verfahren mit verschiedenen Materialien betrieben werden, und zwar einschließlich solchen Materialien, welche nicht allein thermoplastische Materialien, sondern auch noch andere Materialien enthalten. DarÜberhinaus braucht, wie bereits erwähnt wurde, nur eines der Materialien einen thermoplastischen Bestandteil ( zu besitzen, während das andere Material nur eine Oberflächenstruktur hat, die sich dazu eignet, in ausreichender Weise durch das geschmolzene thermoplastische Material des ersten Gegenstandes imprägniert zu werden, so daß die gewünschte Verbindung zwischen den beiden Gegenständen gebildet wird. Außer der Anpassungsfähigkeit an verschiedene Materialien bieten Verfahren und Vorrichtung nach der Erfindung weiterhin den Vorzug, daß sie mit verschiedenen Materialformen

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Anwendung finden können, wie Blattmaterial verschiedener Dicke, Platten und selbst relativ großen Massen. Die Materialien können zuvor in bestimmte Gegenstände oder Vorrichtungen geformt sein, die in unzählbarer Gestalt, hohl oder in massiver Ausbildung und in verschiedenen Materialien vorliegen können. Zwar ist es vorzuziehen, daß die herzustellende Naht oder die entsprechenden Nähte in einem einzigen Durchgang unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung hergestellt wer-

^ den können, die in einer einzigen Ebene liegt; die Vorrichtung und die Technik können jedoch auch unter Verwendung von gekrümmtem Werkzeug an Krümmungen angepaßt werden oder indem man den Gegenstand am Werkzeug auf einem in entsprechend geeigneter Weise gekrümmten Weg vorbeiführt. Die Nätte können kontinuierlich sein oder aus Segmenten bestehen, beispielsweise in Gestalt ähnlich einer Heftnaht. Wahrscheinlich der größte Vorteil des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der Erfindung liegt jedoch in ihrer Fähigkeit, Nähte verschiedener Weite und fast jeder Gestalt herstellen zu können, und zwar ein-

w schließlich relativ komplexer irregulärer Formgebungen. Die Erfindung liefert den weiteren wesentlichen Vorteil, daß sie die Ausbildung von Nähten längs großer Zonen mittels der progressiven Bildungstechnik ermöglicht.

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Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen, die einen Teil der Beschreibung darstellen, an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigt

Pig. I eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, öle Teil einer Maschine zu« Herstellen von Artikeln aus Kunststoffolie, Textilmaterial oder anderem Bandmaterial ist,

Fig. 2 eine Abbildung eines Schwingungswerkzeuges und von Widerlagern, die in der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung verwendbar sind,

Fig. 3 einen stirnseitigen Schnitt durch Segmente des Werkzeuges und des Widerlagers von Fig. 2 in jj größerem Maßstab,

Fig. 4 einen stirnseitigen Schnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform, wobei das Hauptmerkmal die Anordnung einer Trommel ist, welche die das Schweißnahtmuster bildenden Widerlager trägt,

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SAD ORiGiNAi

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Fig. 5 eine Seitenansicht einer Ausführungsform;, welche sich zum Verschweißen von Deckeln an Behältern eignet und -

Fig. 6k und 6b .eine Ausfünrungsfortn, bei der eine

überlagerte Sehwingungsbewegung mit niedriger Frequenz und hoher Amplitude zwischen Werkzeug

^ und Widerlager vorgesehen ist, wobei die beiden

Figuren die Vorrichtung in verschiedenen Phasen des Arbeitszyklus zeigen.

Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Ausführungsforjn dient zum Verbinden von Bandmaterial und bei dem* dargestellten Beispiel zum Herstellen von Hemdmanschetten im kontinuierlichen Verfahren. Wie weiter oben erwähnt wurde, können die miteinander zu verbindenden Materialien verschiedene Gestalt | annehmen und bei der dargestellten Vorrichtung können die miteinander zu versehweißenden Materialien Tuche sein, die aus thermoplastischen Fasern hergestellt sind oder wenigstens thermoplastische Fasern in Verbindung mit Maturfasern enthalten, wie beispielsweise eine Mischung aus Polyesterfaser und Baumwolle. Dariiberhinaus ist ersichtlich;, daß sieh die in den Fig. 1 bis 3 gezeigte Vorrichtung ebenso dazu eignet, Nähte zu bilden zwischen zwei Kunststoffolien, zwischen

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einer Kunststoffolie und einem Tuch oder zwischen einer Kunststoffolie oder einem Schichtmaterial, welches ein Thermoplast enthält, sowie auch bei verschiedenen anderen Materialien in Schichtform. Die Vorrichtung und das Verfahren gemäß der Erfindung lassen sich auch zum Verbinden von mehr als zwei Elementen verwenden. Ferner kann die Vorrichtung durch Installation verschieden gemusterter λ

Widerlager für die Herstellung zahlreicher Gegenstände aus diesen Materialien verwendet werden.

Der Kern der Vorrichtung zum Herstellen von Nähten zwischen zwei Materialschichten besteht aus einem mit Ultraschall schwingenden Arbeitswerkzeug 10 und einem Widerlager 12. Das Widerlager und das Werkzeug sind so montiert, daß sie zwei Materialstücke aneinanderpressen, die zwischen Schweißwerkzeug und Widerlager mit einer vorbestimmten statischen'Kraft angeliefert werden, wie es noch im einzelnen vielter unten beschrieben wird.

Bei der Erfindung kann ein schwingungsfähiges Schweißwerkzeug lü einer ganzen Anzahl verschiedener Typen Anwendung finden, beispielsweise kann man solche Schweißwerkzeuge verwenden, wie sie im US-Patent Nr. J5 11J5 225 von Kleesattel dargestellt und beschrieben sind, auf das bereits oben BoüUp-; genommen wurde. Auf dieses Patent kann hinsichtlich

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einer kompletten Beschreibung des Schwingungswerkzeuges 10 verwiesen werden. Hier reicht es aus zu sagen, daß das Werkzeug 10 ein schwingendes Teil bzw. einen Kopf Ij5 besitzt, der mittels einer oder mehrerer Übertragereinheiten 14 in Ultraschallschwingungen versetzt wird, die an den Kopf 15 durch Wellen 16 gekoppelt sind. Die spezielle" Formgebung des Schwingungskopfes I5 kann auf die miteinander zu verbindenden speziellen Materialien zugeschnitten sein. Das Werkzeug ist in einem nicht dargestellten Halter montiert, der vorzugsweise geeignete Justiermittel besitzt, um das Werkzeug relativ zum Werkstück richtig anzuordnen, und der das Werkzeug mit dem Werkstück gegen das Widerlager mit einer vorbestimmten Kraft in Eingriff hält. Geeignete Montierungen sind in der einschlägigen Technik gut bekannt und brauchen deshalb hier nicht naher beschrieben oder dargestellt zu werden.

Die miteinander zu verbindenden bzw. zu verschweißenden Materialien, speziell die Tuche, aus denen die Hemdenmanschettenhülsen hergestellt werden, werden in Bahnform angeliefert, wie es durch die Bezugszeichen Wl und W2 in den Zeichnungen angedeutet ist. Die Bahnen kommen von Vorratsrollen 18 bzw. 20 und werden durch den Raum zwischen dem Schwingungswerkzeug 10 und den Widerlagern 12 in

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geeigneter Weise geführt. In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist eine endlose Reihe von Widerlagern 12 vorgesehen, die von einem entsprechenden Tragmechanismus 22 getragen werden, der beispielsweise die Gestalt eines Kettenpaares haben kann, an dem die beiden Enden der verschiedenen Widerlager gelenkig angeknüpft sind, wobei die Widerlager die Ketten spreizen. Wenn die Widerlager die obere Traverse in der durch die Pfeile angezeigten Rieh- ' tung kreuzen, gelangen sie über einen in geeigneter Welse fixierten Support 2%, welcher die Andruckkraft zwischen dem Schwingungskopf 13 und der Widerlagerfläche aufnimmt.

Unter spezieller Bezugnahme auf Fig. 2 erkennt man, daS Jedes Widerlager 12 durch eine Platte 12a gebildet ist, die mit einem sich nach oben erstreckenden Flansch 12b ausgebildet ist; dieser Flansch 12b besitzt eine (Hierfläche in Gestalt eines schmalen Bandes, welches das Muster für ä die zu bildende Schweißnaht zwischen den zwei Tuchbahnen Wl und W2 bildet. Mehr im einzelnen 1st der Flansch 12b allgemein rechtwinklig im Schnitt, wenn man von abgerundeten Kanten absieht, welche die Knripn der Manschette bilden. Zusätzlich zu den Säumen, welche den Rand der Manschette definieren und den Heftungen äquivalent sind, die man normalerweise bei Hemdenmanschetten findet, weist jedes

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musterbildende Widerlager 12 einen Vorsprung 12c auf, der so angeordnet ist, daß er einen Saum am Knopfloch bildet und den Umfang des Knopfloches verstärkt, nachdem es durch den Saumabschnitt eingeschlitzt ist.

Die Reihe der Widerlager 12 und die Bahnen Wl und W2 werden gemeinsam unter das Schwingungswerkzeug 10 bewegt, und im Verlauf ihres Vorbeigleitens am Arbeitsseheitel 13a des Arbeitskopfes 13 werden die Bahnen Wl und W2 unter den Einfluß erstens eines statischen Druckes zwischen dem Schwingungskopf und den erhabenen Musterflächen des Musterstreifens 12b des Widerlagers und zweitens einer Ultraschallschwingung des Arbeitskopfes 13 gebracht. Die Kombination aus statischem Druck und Ultraschallschwingung, welche auf die Bahnen Wl und W2 wirkt, veranlaßt die thermoplastischen Materialien in den Bahnen Wl und W2 zum Schmelzen an den unter Druckeinwirkung stehenden Kontaktstellen und veranlaßt sie dazu, entweder miteinander zu verschmelzen, wenn die in Kontakt gebrachten Materialien beide Thermoplaste sind, oder bewirkt, daß das thermoplastische Material des einen zu verbindenden Schweißmaterials in die porösen Strukturen des anderen Materials oder anderer Materialien einfließt,

Auf diese Weise wird ein Schmelzband bzw. Sehweißsaum zwischen den zwei Bahnen längs der Musterfläche gebildet,

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welche von den Planschen und Vorsprängen der verschiedenen Widerlager 12 geformt ist. Die Ausbildung der Naht beginnt natürlich progressiv am vorderen Rand des Musters und entwickelt sich längs der Musterflache, während das Widerlager 12 und die Bahnen Wl und W2 längs des Werkzeuges 10 passieren. Wie im einzelnen in Fig. 3 dargestellt ist, wird der sanfte Durchgang der Bahnen Wl und W2 an dem Arbeitsscheitel IjJa des Schwingungswerkzeugkopfes Ij5 dadurch erleichtert., indem man ein wenig den Scheitel des Schweißkopfes in Bewegungsrichtung der Bahnen Wl und W2 konisch macht, um einen konvergierenden Raum zu schaffen,, wie er duroh den Winkel A angezeigt ist. Der Eintritt und der Durchgang der Materialien zwischen Werkzeug und Widerlagern kann weiterhin dadurch erleichtert werden, indem man eine niederfrequentische Schwingung hoher Amplitude entweder auf das Werkzeug oder die Vi ider lager aufprägt, wie es we lter unten noch beschrieben wird.

Wenn man auch nicht unbedingt so vorgehen muß und auch auf andere Weise gute Resultate erhalten kann, so ist es doch wünschenswert, die das Muster bildenden Rippen oder ihre Äquivalente relativ zum Arbeitsscheitel des Arbeitswerkzeuges ;;o zu orientieren, dai3 zu jeder Zeit nur ein minimales totales Kontaktband zwischen dem Arbeitsscheitel und der

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Musterfläche vorliegt. Auf diese Weise kann die erforderliche Energie zum Betreiben des Schallgebers Ij5 minimal gehalten werden. Beispielsweise kann man im Falle des Hemdmanschettenmusters an den Widerlagern 12 der Zeichnungen die Achse des Musterflansches 12b leicht gegenüber der Basis 12a neigen, so daß ihre längeren Kanten unter einem fe Winkel zur Längsdimension des Arbeitsscheitels des Arbeitskopfes Ij5 liegen. In diesem Falle werden die geraden Teile des Musters fortschreitend bei der Relativbewegung herausgearbeitet, anstatt daß sie zur gleichen Zeit gebildet werden, wie es dann der Fall wäre, wenn sich der Arbeitskopf parallel zu ihnen befände.

Beim Verlassen der Schweißstation sind ein den Umriß oder den Rand einer Hemdmanschette bildender Saum S und eine als Verstärkung des Knopfloches dienende Naht H durch Schmelzen des thermoplastischen Anteils der Tuche und Miteinanderverschmelzen oder Durchdringung der geschmolzenen Materialien so gebildet, daß nach Widerverfestigung feste Verbindungen zwischen den Tuchen gebildet sind.

In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung gelangen die Bahnen Wl und W2 mit den Säumen S, welche die Ränder der dann gebildeten Manschetten definieren,

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BAD OBiGiNAL

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von der Schweißstation zu einer Abscherstation, wo ein geeigneter Abscherkopf JO unter zeitlicher Abstimmung auf die Bewegung des Förderbandes niederkommt, um die Hemdmansehette von den beiden Bahnen abzutrennen. Der Abscher- oder Schneidkopf kann beispielsweise eine Klinge enthalten, die so ausgebildet ist, daß sie mit dem äußeren Rand des Musterflansches 12b zusammenwirkt. Während das Abfallstüek der Bahnen Wl und g W2 den Förderer verläßt, wird die Hemdmansehette normalerweise auf den das Muster bildenden Widerlagern 12 verbleiben und von diesen Widerlagern herumgetragen und dann in einem geeigneten Gefäß abgelegt werden, welches in der Zeichnung durch die Bezeichnung "Sammelstation für fertige Stücke" bezeichnet ist. Für den Fall, daß die Manschette nicht ohne weiteres von den Abfallstücken der Bahnen freikommt, ist eine geeignete Vibrationsvorrichtung 32 vorgesehen, um die Manschette abschütteln zu können. Der Abfall kann dann von einem Abfallrad ^4 aufgenommen und nach Bedarf periodisch i entfernt werden.

Fig. 4 zeigt eine-weitere Ausführungsform der Erfindung; allgemein ist sie dieselbe wie die in Fig. 1 dargestellt mit der Ausnahme, daß die das Muster bildenden Widerlager 12 durch einen Rotationszylinder oder eine Trommel 50 ersetzt sind, die eine Reihe von das Muster bildenden Flanschen 52 aufweist, welche den Flanschen 12b auf den Widerlagern 12

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äquivalent sind. Der Arbeitssoheitel 5^-a des schwingenden Werkzeugs 5^ kann die Trommel tangieren oder in Drehrichtung konisch zulaufen. Wenn der Arbeitsscheitel als Tangente angeordnet ist, ergibt die Krümmung der Trommel einen konvergierenden Raum, welcher den Durchgang der Bahnen durch das Werkzeug erleichtert; eine konische oder geneigte Ausbildung des Arbeitsscheitels ergibt auf Wunsch eine noch größere w Konvergenz.

Wie weiter oben erwähnt wurde, sind die das Schweißmuster bildenden Widerlager 12 dann nicht erforderlich, wenn einer der zu· verschweißenden Gegenstände selbst eine Formgebung besitzt, die die Funktion der Definierung, des Saummusters in Gestalt einer erhabenen Oberfläche oder eines entsprechenden Flansches erfüllen kann, der mit dem Schwingungskopf 13 zum Ausüben einer Kraft längs der Schweißnaht ^ zusammenwirkt. Wenn man annimmt, daß die Wände eines Behälters so stark ausgebildet sind, daß sie bei dem durch Ultraschall schweißnahtbildenden Prozeß eine hinreichend abstützende Funktion erfüllen können, kann der freie Rand des Behälters eine geeignete, die Schweißnaht definierende' Oberfläche bieten. Wenn einer der Gegenstände selbst eine solche Form hat, daß der entsprechend geformte Teil als Widerlager dienen kann, können die Gegenstände auf einen geeigneten ' Förderer aufgegeben werden und dann durch das Verfahren in

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■■'ΚΙΙΙΙΊΊΙΗΙ

ähnlicher Weise geführt werden, wie es bei der Ausführungsform gemäß Pig. I geschildert worden ist.

Fig. 5 zeigt in allgemein schematischer Form eine Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung, bei der entsprechend der in dem vorhergehenden Absatz beschriebenen allgemeinen Arbeitsweise feste Gegenstände 0, wie Kunststoffbehälter oder Kasten, die auf einem geeigneten Förderer 122 getragen werden, mit einer Bahn W3 verschweißt werden, die von einer Vorratsrolle 120 aus zugeführt wird. Der Förderer 122 traversiert ein Support oder Widerlager 124, welches den Arbeitsscheitel 113a eines Ultraschallwerkzeuges 113 gegen die Objekte 0 und die Bahn W drücken kann, um eine Naht oder Verbindung längs des Randes oder irgendeiner anderen hervorstehenden Fläche auf dem Gegenstand zu bilden. Die Gegenstände zusammen mit der an sie angeschweißten Baiin gelangen zur einer Abscherstation, wo ein Scherwerk- ( zeug 130 die übrige Bahn entfernt, jedoch das herausgeschnittene Blatt verbunden mit dem Gegenstand läßt. Das Abfallmaterial wird auf ein Rad 134 aufgewunden, während die fertiggestellten Gegenstände auf einem Schlitten I36 zum Abtransport, Verpacken oder anderweitigem Behandeln abgelegt werden.

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Die Ausführungsform gemäß Fig. 5 ist nicht nur dazu geeignet, Blattmaterial an Gegenstände verschiedener Formgebung und aus verschiedenem Material anzuschweißen, sondern kann auch dazu dienen, zwei Gegenstände miteinander zu verbinden, von denen einer oder gar beide eine Oberfläche besitzen, welche das Muster der Schweißnaht definiert. Die Schwingungsenergie wird durch den Gegenstand, der mit der Werkzeugklinge in Eingriff steht, zu der Verbindungsfläche in ganz derselben Weise geleitet, als wenn der Gegenstand ein Blatt aus relativ dünnem Material wäre. Bei einer anderen Ausführungsform des Erfindungsprinzips werden Gegenstände aus relativ flexiblem Material und irregulärer Formgebung in geeigneten Trägern eingebettet, die eine das Schweißmuster bildende Oberfläche sowie Vertiefungen besitzen, die Teilbereiche aufnehmen oder einbetten können.

Wie in Verbindung mit den vorstehenden Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es vorteilhaft, die Gegenstände in Bezug auf den Arbeitsscheitel 113a des mit Ultraschall schwingenden Werkzeugs so zu orientieren, daß zu jeder vorgegebenen Zeit nur kurze Segmente des Schweißnahtmusters in schweißnahtbildende Funktion treten.

Die Fig. 6k und 6b verdeutlichen eine weitere Abwandlung der Vorrichtung und des Verfahrens der Erfindung. Hierbei

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werden der primären Ultraschallschwingung des Werkzeuges eine Schwingungsbewegung mit relativ niedriger Frequenz, und zwar etwa 1 bis 1000 Hertz, und hoher Amplitude überlagert, so daß in der Anlage intermittierend ein weiter Spalt zwischen dem Werkzeug und den Widerlagern gebildet und dadurch der Eintritt und der Durchgang der Materialien zwischen diesen Teilen erleichtert wird. Die niederfrequente Schwingungsbewegung kann entweder dem Werkzeug oder den Widerlagern durch einen passenden Mechanismus aufgeprägt werden. In der ganz schematisch in den Fig. 6a und 6b dargestellten Weise kann ein rotierender Nocken 200 periodisch das Werkzeug 1J> abwärts gegen Rückstellfedern 202 bewegen, wobei die Schwingungsamplitude natürlich von der Nockenabmessung und der durch die Drehgeschwindigkeit gegebenen Frequenz abhängt. Die Frequenz kann variabel gemacht werden, indem man den Nocken mit einem Antrieb mit variabler Antriebsgeschwindigkeit betreibt. i

Alle in den Unterlagen offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die räumliche Ausgestaltung und Anordnung, werden, soweit sie gegenüber dem Stand der Technik einzeln oder in Kombination neu sind, als erfindungswesentlich beansprucht.

- Ansprüche 909831/1172

Claims

«J U. DB. EBICH NEUGEBAUEB *^T

PATENTANWALT . β MÜNCHEN

8 MÜNCHEN 26 - POSTFACH 31 1 8 0 4 988 ™™*^ON <°^8U> »M«A»

TELEGBAMMADBESSE: ZWEIBRÜCKENSTBASSE 10 BAVABIAPATENT

(NEBEN DEM DEUTSCHEN PATENTAMT) TELEX 5-24477

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Ansprüche

1. Verfahren zum Verschweißen von zwei Elementen miteinander, von denen wenigstens eines ein thermoplastisches Material enthält, längs einer relativ schmalen Uaht oder mehrerer derartiger Nähte mit verschiedenen winkelig zueinander angeordneten Nahtabschnitten, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Erzeugen von Ultraschallkräften längs einer Linie begrenzter Breite;

Bewegen der miteinander zu verschweißenden Elemente relativ zu dieser Linie von Ultraschallkräften, um die Kräfte quer zur Oberfläche eines dieser Elemente aufzubringen;

festes Gegeneinanderdrücken der beiden Elemente in Kontakt miteinander lediglich an den aufeinanderfolgenden begrenzten Bereichen, die durch die jeweilige Überschneidung der Linie der Ultraschallkräfte mit der zu bildenden Schweißnaht bzw. den zu bildenden Schweißnähten definiert sind.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Linie der Ultraschallkräfte und die zu bildenden Schweißnähte relativ zueinander so orientiert werden, daß kein beträchtlicher Abschnitt der Schweißlinien parallel zur Kraftlinie angeordnet ist.

^. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß ein Ultraschallgeber (10; 54) mit langgestrecktem Arbeits- \ scheitel (1^a; 54a; ll^a) und eine Einrichtung (12, 50; 122) mit einer Oberfläche (12b, 12c; 52), welche eine Formgebung entsprechend den zu erstellenden Schweißnähten besitzt, so angeordnet sind, daß der Arbeitsscheitel und die entsprechend dem Muster angeordnete Oberfläche einander zugewandt sind und zwischen sich die miteinander zu verschweißenden Elemente (Wl, W2; W-,, O) aufnehmen, daß eine Einrichtung (22; 50; 122) zum Herstellen einer Relativbewegung zwischen dem Schallgeber und der die Naht bildende Oberfläche (12b, 12c; 52) aufweisen- * den Einrichtung (12, 50) quer zur Längsdimension des Arbeitsscheitels vorgesehen ist, daß die miteinander zu verschweißenden Elemente in fester Relativstellung zu der die Schweißnähte bildenden Oberfläche während dieser Relativbewegung gehalten sind, und daß Mittel (24, 50; 124) vorgesehen sind, welche den Schallgeber und die die Schweißnaht bildende Oberfläche mit vorbestimmter Kraft in Anlage aneinanderhalten, während diese Teile relativ zu und in Anlage an den Arbeitsscheitel bedingt werden.

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4. Vorrichtung nach Anspruch j5, dadurch gekennzeichnet , daß die die Schweißnaht bildende Oberfläche an einem Widerlager (12, 50) ausgebildet ist, das erhabene'Flansche (12b; 52) aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Schallgeber (10) stationär angeordnet ist und die Widerlager (12b, 12c; 52) sich relativ zum Schallgeber bewegen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet , daß eine Mehrzahl von Widerlagern (12) auf einem endlosen Förderer (22) vorgesehen ist, welcher die Widerlager der Reihe nach und wiederholt in Arbeitsstellung gegenüber dem Schallgeber (10) bringt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche J5 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die einander gegenüberliegenden Flächen des Arbeitsscheitels (15a; 54a;115a) und der die Schweißnaht bildenden Oberfläche (12b, 12c; 52) so in Bezug aufeinander ausgebildet sind, daß sie in Bewegungsrichtung der miteinander zu verschweißenden Elemente gegenüber dem Arbeitsscheitel konvergieren.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche j5 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß dem Arbeitskopf (13) des

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Schallgebers (10) eine sekundäre Schwingungsbewegung aufgeprägt ist, die wesentlich geringere Energie, aber wesentlich größere Amplitude als die Ultraschallschwingung hat, derart, daß periodisch zwischen dem Schallgeber und der die Schweißnaht bildenden Oberfläche (12b, 12c; 52) ein den Eintritt und Durchgang von Materialien zwischen diesen Teilen erleichternder Spalt geschaffen wird.

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