DE1804988C3 - Vorrichtung zum Ultraschallschweißen von thermoplastisches Material enthaltenden Teilen - Google Patents

Vorrichtung zum Ultraschallschweißen von thermoplastisches Material enthaltenden Teilen

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DE1804988C3
DE1804988C3 DE1804988A DE1804988A DE1804988C3 DE 1804988 C3 DE1804988 C3 DE 1804988C3 DE 1804988 A DE1804988 A DE 1804988A DE 1804988 A DE1804988 A DE 1804988A DE 1804988 C3 DE1804988 C3 DE 1804988C3
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Clifford Alton Bayshore Long Island N.Y. Robertson (V.St.A.)
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Cavitron Corp New York Ny (vsta)
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Description

55
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ultraschallschweißen von thermoplastisches Material enthaltenden Teilen, wobei eine Sonotrode mit langgestrecktem Scheitel und eine Gegenfläche gegeneinander preßbar 'und relativ zueinander bewegbar angeordnet sind.
Bei einer bekannten Schweißvorrichtung dieser Art wird die Sonotrode am Schweißende der Form der herzustellenden Naht entsprechend ausgebildet, wobei die Nahtformen einfache Figuren, wie eine Linie, ein Rechteck, einen Kreis od. dgl., darstellen. Für die Herstellung unregelmäßiger Nahtformen würde die bekannte Vat richtung komplizierte Sonotrode erfordern, die sehr aufwendig sind. Außerdem wäre bei größeren Nahtlängen ein gleichmäßiges Verschweißen nicht sichergestellt.
Um diese Mangel zu beseitigen und mit einer einfachen Sonotrode auch verwickelte Schweißmuster herstellen zu können, ist bei einer Schweißvorrichtung der eingangs angegebenen Art nach der Erfindung vorgesehen, daß die Gegenfläche oder eines der zu verschweißenden Teile ein dem gewünschten Schweißmuster entsprechendes Oberflächenmuster aufweist und daß der Scheitel der Sonotrode und das Oberflächenmuster so zueinander orientiert sind, daß zu jedem Zeitpunkt der Überdeckungsbereich zwischen dem Scheitel der Sonotrode und dem Oberflächenmuster klein ist.
Bei dieser Ausgestaltung der Schweißvorrichtung kann die Sonotrode eine einfache, gerade, leicht herstellbare Form erhalten. Das Schweißmuster wird z. B. durch ebenfalls leicht herstellbare vorstehende Ränder oder Flansche auf dem Widerlager gebildet. Der für ein gleichmäßiges Verschweißen erforderliche gleichmäßige, alle Teile der Schweißnaht erfassende Kontakt zwischen der Sonotrode und den zu verschweißenden Teilen wird durch den stets geringen Überdeckung; oereich zwischen dem Scheitel der Sonotrode und dem Oberflächenmuster sichergestellt. Wenn die zu verschweißenden Teile, z. B. durch einen Deckel zu verschließende Behälter, durch ihre Gestalt selbst das Schweißmuster ergeben und sie hinreichend fest sind, um den Anpreßdruck der Sonotrode aufzunehmen, so kann der Rand eines derartigen Teils auch selbst als Widerlager mit der Gegenfläche dienen.
Die Vorrichtung nach der Erfindung hat ferner den Vorzug, daß sie bei verschiedenen Materialformen, wie Blattmaterial verschiedener Dicke, Planen, und selbst relativ großen Massen Anwendung finden kann. Die Materialien kör.nen zuvor in bestimmte Gegenstände oder Vorrichtungen geformt sein, die in vielfältiger GeUaIt. hohl oder in massiver Ausbildung und in verschiedenen Materialien vorliegen können. Es können insbesondere auch Gewebe sein, die aus thermoplastischen Fasern hergestellt sind oder wenigstens thermoplastische Fasern in Verbindung mit Naturfasern enthalten, beispielsweise eine Mischung aus Polyesterfaser und Baumwolle. Darüber hinaus können mit der Vorrichtung nach der Erfindung Nähte zwischen zwei Kunststofffolien, zwischen einer Kunststoffolie und einem Gewebe oder zwischen einer Kunststoffolie oder einem Schichtmaterial, welches ein Thermoplast enthält, sowie auch bei verschiedenen anderen Materialien in Schichtform gebildet werden. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung läßt sich auch zum Verbinden von mehr als zwei Elementen verwenden. Die Nähte können sowohl in einer Ebene liegen oder gekrümmt sein, wobei beispielsweise die zu schweißenden Gegenstände am Werkzeug auf einem entsprechend gekrümmten Wege vorbeigeführt werden können. Die Nähte können kontinuierlich sein oder aus einzelnen Teilstücken bestehen, beispielsweise in Gestalt ähnlich einer Heftnaht. Überhaupt können mit der Vorrichtung nach der Erfindung Nähte verschiedener Weite und fast jeder selbst solcher relativ komplexer irregulärer Gestalt hergestellt werden.
Bei der Befestigung eines Mikrofilms über einer Öffnung in einer Lochkarte ist es bekannt, ein in
804 988
Ultruscruil!schwingungen versetzbare* Werkzeug mit Bei der Erfindung kann eine Sonotrode 10 einer abgerundetem langgestrecktem Scheitel unter einem ganzen Anzahl verschiedener Typen Anwendung Winkel ?v. den Kanten des Films über die l.uchkari-.- finden. Bei dem Ausführungsbeispiel weist die zuführen Dabei wird der Rand der durch den Film Sonotrode 10 einen Kopf 13 auf, der mittels einer cbzudeei·enden Öffnung in der Uichkart·.: /uniichst 3 od-^r mehrerer Übertragereinheiten 14 in Ultraschallunter sehr hohem Druck so weit zusammendrückt, schwingungen versetzt wird, die an den Kopf 13 daß der !'ihn bündig mit der einen Oberfläche der durch Stangen 16· gekoppelt sind. Die spezielle Lochkarte liegt, und dann durch Erweichen der Formgebung des Schwingungskopfes 13 kann auf die Filmriinuer eine Verbindung zwischen dem Film Lind miteinander zu verbindenden Materialien zugeder Lochkarte geschaffen. Ein Verschweißen nudel 10 schnitten sein. Die Sonotrode ist in einem nicht darbei diesem Vorgang nicht statt. gestellten Halter montiert, der vorzugsweise geeignete
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Vor- Justiermittel besitzt, um die Sonotrode relativ zum richtung nach der Erfindung ist eine Vielzahl von Werkstück richtig anzuordnen, und der die Sonotrode Oberfiä'.-henmustern auf einem endlosen Förderer und das Werkstück mit einer vorbestimmten Kraft angeordnet, der die Oberflächenmuster, zweckmäßig 15 im Eingriff mit der Gegenfläche hält. wiederholt, der Reihe nach in Arbeitsstellung gegen" Die miteinander zu verschweißenden Materialien, über d-: Sonotrode bringt. Die Oberflächenmuster speziell die Gewebe, aus denen die Hemdenkönnen dabei unmittelbar an der Gei>ennäche aus- manschettenhülsen hergestellt werden, werden in eebild,· sein. Bahnform angeliefert, wie es durch die Bezugs-
Um -inen den Eintritt und Durchgang der zu vcr- 20 zeichen Wl und W2 in den Zeichnungen angedeutet schwebenden Teile zwischen dei Sonotrode -ind der ist. Die Bahnen kommen von '/orratsrollen 18 bzw. Ge-eoil ulie erleichternden Spalt zu schaffen, ist es 20 und werden durch den Rajm zwischen der zweckmäßig, dem Arbeitskopf der Sonotrode eine Sonotrode 10 und den Gegenflächen 12 in geeigneter sekundäre Schwingungsbewegung aufzuprägen, die Weise hindurchgeführt. In der in Fig. 1 dargestellten wesentlich geringere Energie, aber eine weseniiic'n 25 Ausführungsform ist eine endlose Reihe von Widergrößere Amplitude als die Ultraschallschwingung lagern mit Gegenflächen 12 vorgesehen, die von hat Auch ist es für den Durchgang des zu ver- einem endlosen Förderer 22 getragen werden der schweißenden Materials von Vorteil, wenn die beispielsweise die Gestalt eines Kettenpaares haben Flächen am Scheitel der Sonotrode und an der Ober- kann, an dem die beiden Enden der verschiedenen seile der Oberflächenmuster in Bewegungsrichtung 30 Widerlager gelenkig gehalten sind, wobei die Widerder /u schweißenden Teile konvergieren. " lager die Ketten spreizen. Wenn die Widerlager die
Die Erfindung wird im folgenden an Hand schema- obere Traverse in der durch die Pfeile angezeigten
tischer Zeichnungen an mehreren Ausführungs- Richtung kreuzen, gelangen sie über ein in geeigneter
beispicln näher erläutert. Es zeigt Weise fixiertes Auflager 24. das die Andruckkralt
FU. 1 eine Seitenansicht einer Ausführungsform 35 zwischen dem Schwingungskopfl3 und der Wider-
einer "Vorrichtung gemäß der Erfindung, die Teil lagerfläche aufnimmt.
einer Maschine zum Herstellen von Artikeln aus Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist jeae
Kunststoffolie, Textilmaterial oder anderem Band- Gegenfläche 12 durch eine Platte 12 a gebildet, die
material ist, mit einem sich nach oben erstreckenden Flansch 12 fr
Fig 2 eine Abbildung eines Schwingungswerk- 4' versehen ist. Dieser Flansch 12ft besitzt eine Ober-
zcuRcs und von Widerlagern, die in der in Fig. 1 fläche in Gestalt eines schmalen Bandes, welcnes
«^zeigten Vorrichtung verwendbar sind. das Muster für die zu bildende Schweißnaht zwischen
Fie. 3 einen stirnseitigen Schnitt durch Segmente den zwei Gewebebahnen WX und W2 bildet, uer des Werkzeuges und des Widerlagers von F fg. 2 in Flansch 12 6 umschließt im wesentlichen ein Rechtgrößerem Maßstab, 45 eck, wenn man von abgerundeten Kanten absieht, ' F ig. 4 einen stirnseitigen Schnitt durch eine ab- welche die Enden der Manschette bilden. Zusätzlich gewandelte Ausführungsform, wobei das Haupt- zu den Säumen welche den Rand der Manschette merkmal die Anordnung einer Trommel ist, welche definieren und den Heftungen entsprechen, die man die das Schweißnahtmuster bildenden Widerlager
Fi g. 5 eine Seitenansicht einer Ausführungsform, lagers einen Vorsprung 12c auf, der so angeordnet
welche sich zum Verschweißen von Deckeln an Be- ist. daß er einen Saum um das Knopfloch bildet und
haltern eignet, und den Rand des Knopfloches verstärkt nachdem es
Fie 6 A und 6 B zeigen eine Ausführungsform, durch den Saumabschnitt eingeschätztist. bei der eine überlagerte Schwingungsbewegung mit 55 Die Reihe der Widerlager mit den Gegenflachen 12
niedriger Frequenz und hoher Amplitude zwischen und die Bahnen WX und Wl werden gemeinsam
ώ-Αΐsas 3^f H
form dient zum Verbind™ von Bandmalerial und bei sehen dem Schw,»gunj*op( und den
im einzelnen weiter unten beschrieben wird. und W 2 zum
ί 5
ί. einwirkung stehenden Kontaktstellen und veranlaßt dem äußeren Rand des Musterflansches 12 6 zu
sie dazu, entweder miteinander zu verschmelzen, sammenwirkt. Während das Abfallstück der Bahner
!■ wenn die in Kontakt gebrachten Materialien beide Wi und Wl den Förderer verläßt, wird die Hemd
Thermoplaste sind, oder bewirkt, daß das thermo- manschette normalerweise auf den das Mustei
plastische Material des einen der zu verbindenden 5 bilden Gegenflächen 12 verbleiben und von dieser
Materialien in die porösen Strukturen des anderen weiterbefördert und dann in einem geeigneten GefäC
: Materials oder anderer Materialien einfließt. 35 abgelegt. Für den Fall, daß die Manschette niehl
) Auf diese Weise wird ein Schmelzband bzw. ohne weiteres von den Abfallstücken der Bahner
: Schweißsaum zwischen den zwei Bahnen ilängs der freikommt, ist eine Vibrationsvorrichtung 32 zurr
Musterfläche gebildet, welche von den Flanschen io Abschütteln der Manschette vorgesehen. Der Abfall
■ und Vorsprüngen der verschiedenen Gegenflächen 12 kann dann von einem Haspel 34 aufgenommen und
; geformt ist. Die Ausbildung der Naht beginnt nach Bedarf periodisch entfernt werden.
progressiv am vorderen Rand des Musters und ent- Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der wickelt sich längs der Musterfläche, während die Erfindung. Hier sind die das Muster bildenden Gegenflächen 12 und die Bahnen W1 und Wl die i5 Gegenflächen 12 auf einem Rotationszylinder oder ; Sonotrode 10 passieren. Wie im einzelnen in Fig. 3 einer Trommel 50 angebracht, die eine Reihe von dargestellt ist, wird der sanfte Durchgang der Bahnen das Muster bildenden Flanschen 52 aufweist, welche Wl und Wl an dem Arbeitsschcitel 113« des den Flanschen 12Λ bei der Ausführung nach Fig. 2 Sclnvingungswerkzeugkopfes 13 dadurch erleichtert, entsprechen. Der Arbcitsscheitel 54a der Sonotrode daß der Scheitel des Schweißkopfes in Bewegungs- 20 54 kann die Trommel tangieren oder in Drehrichtimg richtung der Bahnen W1 und W2 etwas abgeschrägt konisch zulaufen. Wenn der Arbeitsscheitel als ; ist, um einen konvergierenden Raum zu schaffen, Tangente angeordnet ist, ergibt die Krümmung der wie er durch den Winkel A angezeigt ist. Der Eintritt Trommel einen konvergierenden Raum, welcher den und der Durchgang der Materialien zwischen Werk- Durchgang der Bahnen durch das Werkzeug erzeug und Widerlagern können weiterhin dadurch er- »5 leichtert: eine konische oder geneigte Ausbildung des leichtert werden, daß eine niederfrequente Schwin- Arbe'.sscheitcls ergibt auf Wunsch eine noch größere gung hoher Amplitude entweder auf das Werkzeug Konvergenz.
oder die Widerlager aufprägt, wie es weiter unten Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform der Vor-
noch beschrieben wird. richtung gemäß der Erfindung, bei der feste Gcgcn-
Wie aus Fig. 2 erkennbar, sind die das Muster 30 ständet, wie Kunststoffbehälter oder Kästen, die
bildenden Rippen oder ihre Äquivalente relativ zum auf einem geeigneten Förderer 122 getragen werden.
Arbeitsscheitel der Sonotrode so orientiert, daß zu mit einer Bahn W3 verschweißt werden, die von
jeder Zeit der Überdeckungsbereich zwischen dem einer Vorratsrolle 120 aus zugeführt wird. Der
Arbeitsscheitcl der Sonotrode und dem Oberflächen- Förderer 122 überstreicht ein Widerlager 124.
muster klein ist. Auf diese Weise kann die erforder- 35 welches den Arbeitsscheitel 113a einer Sonotrode
liehe Energie zum Betreiben des Schallgebers 13 113 gegen die Objekte O und die Bahn W 3 drücken
gering gehalten werden. Beispielsweise kann man im kann, um eine Naht oder Verbindung längs des
Falle des Hemdmanschettenmusters an den Wider- Randes oder irgendeiner anderen hervorstehenden
lagern mit den Gegenflächen 12 die Achse des Fläche auf dem Gegenstand zu bilden. Die Gegen-
Musterflansches 12 b leicht gegenüber der Basis 12 a 40 stünde zusammen mit der an sie angeschweißten
neigen, so daß ihre längeren Kanten unter einem Bahn gelangen zu einer Abscherstation, wo ein
Winkel zur Längsdimension des Arbeitsscheitels des Scherwerkzeug 130 den mit dem Gegenstand O ver-
Arbeir.skopfes 13 liegen. In diesem Falle werden die bundenen Teil von der Bahn W3 abtrennt. Das
geraden Teile des Musters nacheinander miteinander Abfallmaterial wird auf einen Haspel 134 aufge-
verschweißt, anstatt daß die Schweißnähte auf ihrer 45 wickelt, während die fertiggestellten Gegenstände
ganzen Länge gleichzeitig gebildet werden, wie es auf einem Schlitten 136 zum Abtransport, Verpacken
dann der Fall wäre, wenn der Scheitel des Arbcits- oder anderweitigem Behandeln abgelegt wenden.
kopfes parallel zu den Verbindungsnähten gerichtet Die Ausfiihrungsform gemäß Fig. 5 ist nicht nur
wäre. dazu geeignet. Blattmaterial an Gegenstände ver-
Beim Verlassen der Schweißstation sind ein den 50 schiedener Formgebung und aus verschiedenem Ma-
Umriß oder den Rand einer Hemdmanschette «erial anzuschweißen, sondern kann auch dazu
bildender Saum 5 u-;d eine als Verstärkung des dienen, zwei Gegenstände miteinander zu verbinden,
Knopfloches dienende Naht H durch Schmelzen des von denen einer oder gar beide eine Oberfläche be-
\ thermoplastischen Anteils der Gewebe und Mit- sitzen, welche das Muster der Schweißnaht definiert.
f einanderverschmelzen oder Durchdringung der ge- 55 Die Schwingungsenergie wird durch den Gegenstand,
schmolzenen Materialien so gebildet, daß nach der mit der Sonotrode im Eingriff steht, zu der Ver-
Wiederverfestigung feste Verbindungen zwischen den bindungsflache in ganz derselben Weise geleitet, als
j Geweben gebildet sind. wenn der Gegenstand ein Blatt aus relativ dünnem
\ In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform Material wäre. Bei einer anderen Ausführungsform
der Erfindung gelangen die Bahnen W1 und W 2 mit 60 des Erfindungsprinzips werden Gegenstände aus
[ den Säumen S, welche die Ränder der dann ge- relativ flexiblem Material und irregulärer Form-
''■■ bildeten Manschetten definieren, von der Schweiß- gebung in geeigneten Trägern eingebettet, die eine
station zu einer Abscherstation, wo ein senkrecht ge- das Schweißmuster bildende Oberfläche sowie Ver-
; führter Abscherkopf 30 unter zeitlicher Abstimmung tiefungen besitzen, die Teilbereiche aufnehmen oder
' auf die Bewegung des Förderbandes die Hemd- 65 einbetten können.
; manschette von den beiden Bahnen abtrennt Der Auch in Verbindung mit den vorstehenden Aus-
Abscher- oder Schneidkopf kann beispielsweise eine führungsformen werden die Gegenstände O in bezug
Klinge enthalten, die so ausgebildet ist, daß sie mit auf den Arbeitsscheitel 113 a der Sonotrode so
orientiert, daß zu jeder Zeit nur kurze Segmente des Schweißnahtmusters in schweißnahtbildende Funktion treten.
Die Fig. 6 A und 6B verdeutlichen eine weitere Abwandlung der Vorrichtung nach der Erfindung. Hierbei wird der primären Ultraschallschwingung des Werkzeuges eine Schwingungsbewegung mit relativ niedriger Frequenz, und zwar etwa 1 bis 1000 Hertz, und hoher Amplitude Überlager·, so daß in der Anlage intermittierend ein weiter Spalt zwisehen der Sonotrode und den Gegenflächen gebildet und dadurch der Eintritt und der Durchgang der Materialien zwischen diesen Teilen erleichtert wer
den. Die niederfrequente Schwingungsbewegiing kann entweder der Sonotrode oder den Gegenflächen durch einen passenden Mechanismus aufgeprägt werden. Fn der ganz schematisch in den F i g. 6 A und 6 B dargestellten Weise kann ein rotierender Nocken 200 periodisch das Werkzeug 13 abwärts gegen Rückstellfedern 202 bewegen, wobei die Schwingimgsamplitude 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 Antricbsgeschwindigkcil betreibt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
409 615/84

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zum Ultraschallschweißen von thermoplastisches Material enthaltenden Teilen. wobei eine Sonotrode mit langgestrecktem Scheitel und eine Gegenfläche gegeneinander preßbar und relativ zueinander bewegbar angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenfläche (12; 50) oder eines der zu verschweißenden Teile (W 3,O) ein dem gewünschten Schweißmuster entsprechendes Oberflächenmuster (12Z) und 12 c; 52; O) aufweist und daß der Scheitel der Sonotrode (10; 54) und das Oberflächenmuster (12 b und 12 c; 52; O) so ,5 zueinander orientiert sind, daß zu jedem Zeitpunkt der Überdeckungsbereich zwischen dem Scheite! der Sonotrode und dem Oberflächen ■ muster klein ist
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- -n kennzeichnet, daß eine Vielzahl von Oberflächenmustern (12) auf einem endlosen Förderer (22) angeordnet ist, welcher die Oberflächenmuster (12) der Reihe nach in Arbeitsstellung gegenüber der Sonotrode (10) bringt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der endlose Förderer (22) die Oberflächenmuster (12) wiederholt in Arbeitsstellung gegenüber der Sonotrode (10) bringt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenmuster (52) unmittelbar an der Gegenfläche (50) ausgebildet sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche t bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Arbeitskopf (13) der Sonotrode (10) eine sekundäre Schwingungsbewegung aufgeprägt ist. die wesentlich geringere Energie, aber wesentlich größere Amplitude als die Ultraschallschwingung hat, derart, daß periodisch zwischen der Sonotrode ^ und dem Oberflächenmuster (12 ft, 12 c; 52) der Gegenfläche (24; 50; 124) ein den Eintritt und Durchgang von Materialien zwischen diesen Teilen erleichternder Spalt geschaffen wird.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen am Scheitel (13 a; .'54 a) der Sonotrode (10; 54) und an der Oberseite der Oberflächenmuster (12 i>; 12 c; 52) in Bewegungsrichtung der zu schweißenden Teile konvergieren (Fig. 3).
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