DE19532499A1

DE19532499A1 - Vorrichtung zum Ultraschall-Schneiden und/oder Ultraschall-Schweißen von Bahnen, insbesondere textilen Breitgewebe-Bahnen

Info

Publication number: DE19532499A1
Application number: DE19532499A
Authority: DE
Inventors: Marc Vaupel
Original assignee: VAUPEL TEXTILMASCH
Current assignee: VAUPEL TEXTILMASCH
Priority date: 1995-09-02
Filing date: 1995-09-02
Publication date: 1997-03-06

Description

Die Erfindung richtet sich auf eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art. Um Bänder, z. B. Etikettbänder, herzustel len, webt man zunächst eine Breitgewebe-Bahn, in welcher die gewünschten Bandmuster in benachbarten Bahnzonen vielfach erzeugt werden. Dann wird die Breitgewebe-Bahn an der Übergangsstelle zwischen den Bahnzonen geschnitten.

Dafür sind ursprünglich beheizte Drähte verwendet worden, die einen Schmelzschnitt erzeugten und die Kanten der so erzeugten Bänder miteinander verschmelzten. Solche Schmelzkanten waren hart und brachten Probleme, weshalb zusätzliche Maßnahmen erforderlich waren, (DE-39 37 947-A1).

Um die Qualitätsprobleme zu verbessern, verwendet man Ultraschallschneid vorrichtungen, (WO-94/18 373-A1). Besonders bewährt haben sich Ultra schallköpfe, deren Sonotroden in einem schlanken Schaft auslaufen und am Schaftende eine aus Hartmetall bestehende Arbeitsklinge befestigt ist, (EP-0 341 942-A2). Dieser schlanke Schaft entsteht durch einen Absatz der Sonotrode gegenüber ihrem vorausgehenden dicken Anfangsabschnitt. Ein solcher schlanker Schaft ist für eine geringe Stromaufnahme und damit geringe Erwärmung beim Betrieb bedeutsam, weil entsprechend den geringen Massen im Endabschnitt der Sonotrode auch nur geringe Schwingungsenergi en aufgewendet werden brauchen. Dies ist gegenüber anderen Ultraschall köpfen, deren Sonotrode z. B. konisch ausgebildet ist, günstiger.

Die Arbeitsklinge besitzt einen axialen Gewindestift, mit welchem sie in einer axialen Bohrung des Sonotrodenschafts eingeschraubt ist. Bereits nach kurzer Betriebszeit kann ein Totalausfall bei den bekannten Ultraschall köpfen auftreten. Das ist, wie die Erfindung erkannt hat, auf Risse im schlanken Schaft der Sonotrode zurückzuführen. Die im Schaft zu übertra genden hohen Schwingungsenergien führen offenbar zu Rißbildungen im Material.

Um dies zu vermeiden, war man genötigt, auf die günstigen Sonotroden mit schlankem Schaft zu verzichten, und mußte statt dessen massereichere, z. B. konische Sonotroden verwenden. Die konische Form führt zu größeren Massen der Sonotrode, die zum Betrieb eine höhere Stromaufnahme erfor dern. Dies wirkt sich in einer ungünstigen Erwärmung der Sonotrode und damit in einer unkontrollierten Verschiebung der Resonanzfrequenz aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der im Oberbe griff des Anspruches 1 genannten Art zu entwickeln, die in ihrer Sonotrode nur die geringen Massen eines schlanken Schafts aufweist, sich aber durch eine zuverlässige Arbeitsweise und lange Lebensdauer auszeichnet. Dies wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angeführ ten Maßnahmen erreicht, denen folgende besondere Bedeutung zukommt.

Der Bund erzeugt eine mäßige Schaftverdickung an der kritischen Stelle, nämlich im Bereich des eingeschraubten Gewindestift-Endes. Die Erfindung hat nämlich auch erkannt, daß die den Totalausfall des Ultraschallkopfes bewirkenden Risse an dieser Stelle auftreten. Der angeformte Bund wirkt wie ein den Schaft umgürtender Reifen, der die Festigkeit der Sonotrode an der kritischen Stelle erhöht. Der Bund braucht den Schaft lediglich zwischen 10 und 30% zu verdicken. Es genügt dabei eine relativ kleine axiale Bundlänge, die z. B. im Bereich des Radius vom Schaft liegt. Durch den Bund ist die Masse im Schaft so wenig erhöht, daß sich daraus keine Erhöhung der Stromaufnahme des Ultraschallkopfes ergibt und keine zusätzli che Erwärmung eintritt. Man benötigt bei der Erfindung zum Betrieb des Schwingungsgenerators nicht mehr Strom, als bei Sonotroden gleicher Type ohne den Bund. Die sonst aufgrund der Erwärmung eintretende und unkontrollierte Frequenzverschiebung der Eigenfrequenz ist vermieden.

Weitere Maßnahmen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unter ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. In den Zeichnungen ist die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 in perspektivischer Darstellung ein Teilstück einer Webmaschine mit mehreren Ultraschallköpfen, die aus der erzeugten Bahn des Breitgewebes Bänder für Etiketten schneiden,

Fig. 2 eine Seitenansicht eines Ultraschallkopfes für die Vorrichtung von Fig. 1,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch den Ultraschallkopf von Fig. 2 und das ihn umfassende Gehäuse, womit er an der Webmaschine von Fig. 1 montiert ist,

Fig. 4 eine alternative Ausführung des Gehäuses mit dem Ultraschallkopf von Fig. 2 längs der aus Fig. 5 erkennbaren versprungenen Schnittlinie IV-IV, und

Fig. 5 eine Seitenansicht des in Fig. 4 gezeigten Gehäuses entlang der in Fig. 4 angedeuteten vertikalen Schnittlinie V-V.

Auf einer in Fig. 1 angedeuteten Webmaschine wird eine Bahn 10 durch übliche textiltechnische Bindungen zwischen Kettfäden 11 und einem oder mehreren Schußfäden 12 erzeugt. Dabei können beliebige Muster 13 einge webt werden, die in diesem Fall mehrfach nebeneinander liegend in der als Breitgewebe erzeugten Bahn 10 angeordnet sind. Die Bahn 10 wird dann mit Ultraschall arbeitenden Schneidvorrichtungen 20 zugeführt, welche Längsschnitte 14 erzeugen. Durch die Längsschnitte 14 wird die Bahn 10 in einzelne Streifen 15 geschnitten. Die Streifen 15 werden beim Weben im Sinne des Bewegungspfeils 16 abgezogen. Später werden die Streifen 15, entsprechend der Länge der jeweiligen Muster 13, in Abschnitte ge trennt, welche die endgültigen Etiketten bilden. Diese Etiketten können dann an Kleidungsstücken od. dgl. befestigt werden.

Die Schneidvorrichtung 20 besteht, wie am besten aus Fig. 3 hervorgeht, aus einem Ultraschallkopf 21, der auf der einen Seite 17 der dort strich punktiert angedeuteten Bahn 10 angeordnet ist, und, ausweislich der Fig. 1, über Leitungen 29 an einen gemeinsamen Generator 19 angeschlossen ist. Der Generator 19 erzeugt Wechselspannungen, die vorzugsweise bei 24,4 kHz liegen. Auf der gegenüberliegenden anderen Bahnseite 18 befindet sich ein ruhender Gegenhalter 30, der im vorliegenden Fall aus einer durch gehenden Zylinderstange besteht, die den einzelnen Schneidvorrichtungen 20 gemeinsam ist.

Der Aufbau des Ultraschallkopfes 21 ist am besten aus Fig. 2 zu ersehen. Als Schwingungsgeber 27 dienen zwei Piezzo-Keramiken 28, zu denen zwei elektrische Kontakte 31 gehören. Auf der zur Bahn gerichteten Aktiv seite des Schwingungsgebers 27 ist die eigentliche Sonotrode 23 angeordnet, während auf der gegenüberliegenden passiven Seite des Schwingungsgebers 27 sich ein Reflektor 26 befindet. Der Reflektor 26 besteht aus Edelstahl. Die Sonotrode 23 dagegen ist aus sogenanntem "Hart-Aluminium" gebildet. Am Ende der Sonotrode 23 befindet sich die eigentliche Arbeitsklinge 22 aus Hartmetall, z. B. aus Stahl mit einer Härte von mehr als HRC 60. Die Sonotrode 23 ist mit dem Reflektor 26 unter Zwischenlage des Schwingungsgebers 27 durch eine Gewindeschraube 33 zusammengespannt, deren Schaft in einer axialen Gewindeaufnahme 32 der Sonotrode 23 festge schraubt ist. Wie aus Fig. 3 am besten zu entnehmen ist, sind der Reflektor 26 und die beiden Piezzo-Keramiken 28 mit Axialbohrungen zum freien Durchtritt der Gewindeschraube 33 vorgesehen. Zur Isolation der elektrischen Anschlußkontakte 31 für die erwähnte elektrische Leitung 29 ist der Schaft der Gewindeschraube 33 im Bereich der Keramiken 28 mit einem Schlauch 34 versehen.

Für den Betrieb der Schneidvorrichtungen ist eine möglichst geringe Erwär mung des Ultraschallkopfes 21 erwünscht, weil mit zunehmender Erwärmung die Eigenfrequenz des Ultraschallkopfes 21 sich unkontrolliert verschiebt. Wenn die Antriebsfrequenz des elektrischen Generators 19 nicht mehr mit der Eigenfrequenz des Ultraschallkopfes 21 übereinstimmt, treten Betriebsstörungen ein. Dies ergibt sich vor allem, wenn die Ultraschallköpfe in den einzelnen Schneidvorrichtungen 20, die von einem gemeinsamen Generator 19 betrieben werden, sich zueinander unterschiedlich erwärmen. Um eine möglichst geringe Erwärmung zu erhalten, ist daher eine geringe Stromaufnahme des Ultraschallkopfes 21 erwünscht. Dies läßt sich erzielen, indem man die Sonotrode 23 in zwei zueinander abgesetzte, unterschiedliche Abschnitte 24, 25 gliedert, wie am besten aus Fig. 2 zu ersehen ist.

Der am Schwingungsgeber 27 befindliche Anfangsabschnitt 24 hat eine zylindrische Form, die umrißmäßig derjenigen der beiden Piezzo-Keramiken 28 und dem Reflektor 26 entspricht. Dieser dicke Abschnitt 24 geht über eine Stufe 35 in einen demgegenüber schlanken Schaft 25 über, an dessen Ende die bereits erwähnte Arbeitsklinge 22 befestigt ist. Der Übergang 25 erfolgt in Form eines Bogens. Im vorliegenden Fall beträgt der Schaft durchmeser 36 etwa 60% vom Durchmesser 37 des Anfangsabschnitts 24. Die Arbeitsklinge 22 hat einen dem Schaftdurchmesser 36 entsprechenden Querschnitt und besitzt an ihrer dem Schaft 21 zugekehrten Kontaktfläche 41 einen abragenden, axial verlaufenden Gewindestift 40. Dem Gewindestift 40 ist an der gegenüberliegenden Stirnfläche 38 des Sonotroden-Schafts 25 eine axiale Gewindebohrung 39 angeordnet, wie am besten aus Fig. 3 zu ersehen ist. Die Stirnfläche 38 und die Kontaktfläche 41 sind vorzugs weise plan geschliffen.

Die aus Fig. 2 ersichtliche Gesamtlänge 42 des Ultraschallkopfes 21 ist in Abstimmung mit der Eigenfrequenz ausgebildet, und zwar so, daß zwi schen der Endfläche des Reflektors 26 und der dem freien Ende der Arbeits klinge 22 sich ca. eine halbe Wellenlänge λ/2 der generierten Schwingung ergibt. Bezogen auf die Mitte des Schwingungsgebers 27 ergeben sich dann zur Endfläche des Reflektors 26 hin ca. λ/10 und, gegenüberliegend, zum freien Ende der Arbeitsklinge 22 hin, ca. 4·λ/10.

Entscheidend ist für die Erfindung, daß dem Schaft 25 im Bereich des aus Fig. 3 erkennbaren Gewindestift-Endes 43, wenn dieses in der Gewinde bohrung 39 eingeschraubt ist, ein Bund 45 angeordnet ist. Der Bund 45 ist einstückig mit dem Material der Sonotrode 23 ausgebildet und besitzt einen Bunddurchmesser 44, der mindestens 10%, höchstens aber 30% vom Schaftdurchmesser 36 ausmacht. Im vorliegenden Fall liegt der Bund durchmesser 44 bei ca. 11% vom Schaftdurchmesser.

In der Praxis zeigte es sich, daß selbst nach langer Betriebsdauer bei die ser Gestaltung nicht mehr Risse im Bereich des Schafts 25 auftreten. Besonders günstig ist es dabei, die Mitte des Bundes mit dem Gewindestift- Ende 43 annähernd radial auszurichten. Ein solcher Bund führt gegenüber Sonotroden mit bundfreien Schäften nicht zu einer Frequenzerhöhung. Es tritt also beim Betrieb der erfindungsgemäßen Sonotrode, gegenüber derjenigen ohne Bund, keine höhere Stromaufnahme ein, womit auch keine zusätzliche Erwärmung beim Betrieb des Ultraschallkopfes sich ergibt. Es genügt, dem Bund 45 eine aus Fig. 2 ersichtliche axiale Länge 46 zu geben, die annähernd bei der Hälfte des vorbeschriebenen Schaftdurch messers 36 liegt.

Wie Fig. 3 zeigt, ist der Ultraschallkopf 21 als Baueinheit ausgebildet, die in einem Gehäuse 50 aufgenommen ist und dort über eine Druckfeder 47 gegen die Bahn 10 gedrückt wird. Die Bahn 10 wird dabei über den erwähnten Gegenhalter 30 gezogen. Ein am Gehäuse 50 vorgesehener Gehäu seansatz 48 umschließt das Ende der elektrischen Leitung 29 und die zuge hörigen Anschlußkontakte 31. Das so als Baueinheit mit dem Ultraschallkopf 21 ausgerüstete Gehäuse 50 kann nun an der gewünschten Stelle der in Fig. 1 gezeigten Webmaschine an einer Tragschiene 49 positioniert werden. Die Tragschiene 49 verläuft parallel zu dem ebenfalls durchlaufenden, erwähnten Gegenhalter 30.

In Fig. 4 und 5 ist eine alternative Ausbildung 50′ des in Fig. 3 erläuterten Gehäuses gezeigt. Es genügt dabei lediglich auf die Unterschiede einzugehen. Diese bestehen im wesentlichen darin, daß in das Gehäuse 50′ das zu die sem Ultraschallkopf 21 gehörende Gegenhalterstück 30′ mit integriert ist. Dazu besitzt das Gehäuse 50′ einen dünnen, aber verhältnismäßig stabi len Steg 51, der die zu schneidende Bahn 10 im Bereich der erzeugten Längsschnittlinie 14 zwischen den beiden Streifen durchgreift, was insbeson dere aus Fig. 5 zu entnehmen ist. Der Steg 51 besteht daher aus Metall. Am Stegende sitzt ein zum Gehäuse 50′ gehörendes Fußstück 52, in welchem das Gegenhalterstück 30′ unverlierbar aufgenommen ist. Der Steg 51 bildet mit dem Fußstück 52 gleichsam ein L-Profil als Verlängerung des Gehäuses 50′. Das Fußstück 52 kann aus Kunststoff bestehen. Weil jetzt anstelle des im vorausgehenden Ausführungsbeispiel durchgehenden Gegenhalters 30 nur kurze Stücke 30′ jedem der einzelnen Gehäuse 50′ zugeordnet wer den, können diese aus Wellenabschnitten geringeren Durchmessers gebildet sein. In diesem Ausführungsbeispiel bildet somit das Gehäuse 50′ mit seinem Gegenhalterstück 30′ eine Baueinheit.

Bezugszeichenliste

10 Bahn
11 Kettfaden
12 Schußfaden
13 Gewebemuster
14 Längsschnittlinie in 10
15 Streifen von 10
16 Bewegungspfeil von 10
17 erste Bahnseite von 10
18 zweite Bahnseite von 10
19 Generator für 21
20 Schneidvorrichtung
21 Ultraschallkopf von 20
22 Arbeitsklinge von 21
23 Sonotrode von 21
24 Anfangsabschnitt von 23
25 schlanker Schaft von 23
26 Reflektor von 21
27 Schwingungsgeber von 21
28 Piezzo-Keramik von 27
29 elektrische Leitungen zwischen 21, 19
30 Gegenhalter von 20
30′ Gegenhalterstück (Fig. 4, 5)
31 elektrische Anschlußkontakte für 29
32 Gewindeaufnahme in 24 für 33
33 Schraube
34 Isolationsschlauch
35 Übergang zwischen 24, 25
36 Schaftdurchmesser von 25
37 Durchmesser von 24
38 Stirnfläche von 25
39 Gewindebohrung in 25
40 Gewindestift von 22
41 Kontaktfläche von 22
42 Gesamtlänge von 21
43 Ende des Gewindestifts von 40
44 Bund-Durchmesser von 25
45 Bund
46 axiale Länge von 45
47 Feder
48 Gehäuseansatz
49 Tragschiene
50 Gehäuse (Fig. 1, 3)
50′ Gehäuse (Fig. 4, 5)
51 Steg von 50′
52 Fußstück

Claims

1. Vorrichtung (20) zum Ultraschall-Schneiden und/oder Ultraschall-Schweißen von Bahnen (10), die vorzugsweise aus schmelzfähigem Material bestehen, insbesondere von Breitgewebe-Bahnen aus Fadenma terial (11, 12),
mit einem eine Arbeitsklinge (22) aus Hartmetall aufweisenden Ultra schallkopf (21) auf der einen Seite (17) der Bahn (10) und einem ruhenden Gegenhalter (30) auf der anderen Seite (18) der Bahn (10),
wobei der Ultraschallkopf (21) aus einem Reflektor (26) und einer Sonotrode (23) besteht, zwischen denen ein Schwingungsgeber (27) eingespannt ist, der von einem elektrischen Generator (19) angetrieben wird,
und die Sonotrode (23) mit einem eine Gewindebohrung aufweisenden schlanken Schaft ausläuft, welcher gegenüber ihrem dicken Anfangsab schnitt (24) abgesetzt (35) ist,
und die Arbeitsklinge (22) einen Gewindestift (40) besitzt, der in die Gewindebohrung (39) des Schafts (25) einschraubbar ist und die Arbeitsklinge (22) am Stirnende (38) des Schafts (25) befestigt,
dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (25) einen verdickten Bund (45) aufweist, der im Be reich des eingeschraubten Gewindestift-Endes (43) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bund (45) gegenüber dem Schaft (25) einen um 10% bis 30% größeren Durchmesser (44) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durch messer (44) des Bundes (45) ca. 15% größer als derjenige (36) des Schaftes (25) ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bund (45) eine axiale Länge (46) aufweist, die annähernd gleich dem halben Schaftdurchmesser (36) ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende (43) des eingeschraubten Gewindestifts (40) etwa im mittleren Bereich des verdickten Bundes (45) liegt.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallkopf (21) von seinem einen, die Arbeitsklinge (22) aufweisenden Ende bis zum anderen, vom Reflektor (26) gebildeten Ende, eine Gesamtlänge (42) aufweist, die annähernd gleich der halben Wellenlänge (λ/2) der generierten Schwingung ist.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode (23) zwischen ihrem dicken Anfangs abschnitt (24) und ihrem, den schlanken Schaft (25) erzeugenden abge setzten Endabschnitt einen kehlförmigen Bogenübergang (35) besitzt.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Stirnende (38) des Schafts (25) einerseits und die im Befestigungsfall daran anliegende Kontaktfläche (41) der Arbeitsklinge (22) andererseits plan geschliffen sind.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenhalter (30′) in das dem einzelnen Ultra schallkopf (21) zugeordnete Gehäuse (50′) baueinheitlich integriert ist.