DE19857444A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ultraschallbearbeiten eines Flächengebildes aus thermoplastischem Material - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Ultraschallbearbeiten eines Flächengebildes aus thermoplastischem Material

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Ultraschallbearbeiten eines in seiner Ebene bewegten Flächengebildes (1) aus thermoplastischem Material wird das Flächengebilde (1) zwischen einer mit einer Ultraschallschwingeinheit verbundenen Sonotrode (2) und einer Gegenwalze (5) hindurchgeleitet und in dem Arbeitsspalt (7) zwischen Sonotrode (2) und der Gegenwalze (5) der Ultraschalleinwirkung ausgesetzt wird. Mindestens eines der zusammenwirkenden Elemente (Sonotrode (2), Flächengebilde (1), Gegenwerkzeug) wird während der Ultraschalleinwirkung beheizt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung der dem Oberbegriff der Ansprüche 1 bzw. 2 entsprechenden Art.
Ein derartiges Verfahren und eine entsprechende Vor­ richtung sind aus der DE 44 39 284 C2 bekannt. Bei der bekannten Ausführungsform wirkt die mit der Ultraschall­ schwingeinheit verbundene Sonotrode als eine Art Stempel, die radial zu dem als umlaufende Gravurwalze ausgebildeten Gegenwerkzeug schwingt. Durch den Arbeitsspalt zwischen der Sonotrode und dem Gegenwerkzeug wird das Flächengebil­ de hindurchgeleitet, das aus einem bahnförmigen Vlies aus thermoplastischen Fasern bestehen kann. Durch die hoch­ frequenten Kompressionen, die das Material zwischen den Scheiteln der Gravur der Gegenwalze und der Stirnseite der Sonotrode erfährt, kommt es zu lokalen Temperaturerhöhun­ gen bis zur Erweichung der thermoplastischen Faser. Wenn es nur um eine Verfestigung eines Vlieses geht, muß die Erwärmung so dosiert werden, daß gerade ein Zusammen­ schmelzen der Fasern erfolgt, jedoch Durchbrüche in dem Material vermieden werden. Bei entsprechender Steuerung des Energieeintrags können solche Durchbrüche aber auch bewußt herbeigeführt werden, d. h. es kann nach dem Ver­ fahren auch gelocht oder geschnitten werden. Der Energie­ eintrag, dem eine bestimmte Stelle der Materialbahn für die kurze Zeit des Passierens des Spalts zwischen der Sonotrode und der Gegenwalze ausgesetzt ist, ist also für den Bearbeitungseffekt durchaus kritisch. Da diese Energie durch die Ultraschallschwingungen akkumuliert werden muß und deren Intensität konstruktiv begrenzt ist, ist plausi­ bel, daß die Bearbeitungsgeschwindigkeit einer solchen Vorrichtung begrenzt ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Be­ arbeitungsgeschwindigkeit zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird in ihrem verfahrensmäßigen Aspekt durch die in Anspruch 1 wiedergegebene Erfindung, in ihrem vorrichtungsmäßigen Aspekt durch die in Anspruch 2 wie­ dergegebene Erfindung gelöst.
Generell muß bei derartigen Ultraschallbearbeitungs­ vorrichtungen die an einer bestimmten Stelle des Flächen­ gebildes notwendige Erwärmung durch die Ultraschallschwin­ gungen zustandegebracht werden. Wenn nun erfindungsgemäß eine zusätzliche Erwärmung einer der am Vorgang beteilig­ ten Komponenten erfolgt, führt der Ernergieeintrag durch die Sonotrode lokal eher zum Erreichen der erforderlichen Plastifizierung. Dadurch ergibt sich eine Beschleunigung des Bearbeitungsvorgangs.
Die Beheizung kann an nur einen der zusammenwirkenden Elemente, an zweien dieser Elemente oder an allen dreien erfolgen. Auch können die vorgesehenen Heizungen gleich­ zeitig auf mindestens zwei der Elemente wirken.
In den Unteransprüchen 2 bis 10 sind konstruktive Merkmale zur Verwirklichung der Erfindung angegeben.
In der Zeichnung ist schematisch ein Ausführungsbei­ spiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bearbeiten einer Materialbahn mit Ultraschall in einer Seitenansicht schematisch dargestellt.
Die als Ganzes mit 100 bezeichnete Vorrichtung dient zum Verfestigen eines Flächengebildes 1 in Gestalt eines Vlieses aus thermoplastischen Fasern, welches in dem Aus­ führungsbeispiel als kontinuierliche Bahn horizontal in Pfeilrichtung gefördert wird.
Oberhalb des Flächengebildes 1 ist eine Anzahl von quer zur Bahn des Flächengebildes 1 aneinander anschlie­ ßenden Sonotroden vorgesehen, die die Ultraschallschwin­ gungen auf das Flächengebilde 1 übertragen. In der Zeich­ nung ist von einer Sonotrode 2 nur der untere Teil 2' dargestellt. Die Sonotrode 2 ist oberhalb des gezeichneten Teils an eine Ultraschallschwingeinheit angekoppelt. Die Sonotrode 2 besitzt eine Längsmittelebene 3, in der die Achse 4 einer das Gegenwerkzeug bildenden umlaufenden Gegenwalze 5 liegt, die das Flächengebilde 1 gegen die Sonotrode 2 von unten abstützt. Die Sonotrode 2 hat auf der dem Flächengebilde 1 zugewandten Seite eine Stirnflä­ che 2'', die eben sein kann, aber auch eine von der Eben­ heit abweichende Gestalt, z. B., wie gezeichnet, eine kon­ kave zylindrische Ausbildung mit mit der Achse 4 der Ge­ genwalze 5 zusammenfallender Achse aufweisen kann. Die Stirnseite 2'' ist etwa parallel zur Oberseite des Flächen­ gebildes 1 und liegt auf diesem auf. Die Sonotrode 2 mit ihrer Stirnseite 2'' und der Umfang der Gegenwalze 5 bilden zwischen sich einen Arbeitsspalt 7, durch den das Flächen­ gebilde 1 in Pfeilrichtung hindurchgeleitet wird. Die Gegenwalze 5 hat auf ihrem Umfang eine Gravur 6, die dem Verfestigungs- oder Schnittbild entspricht und auf deren Scheiteln 6' eine bevorzugte Zusammendrückung des Materi­ als des Flächengebildes und Einwirkung der Ultraschall­ schwingungen stattfinden, die zu einer bevorzugten Tempe­ ratursteigerung und Plastifizierung an diesen Stellen führt. Das Material des Flächengebildes wird auf diese Weise in einem der Lage der Scheitel entsprechenden Muster verfestigt oder gelocht oder geschnitten.
Es kommt für die Einhaltung des angestrebten Bearbei­ tungseffektes sehr genau auf den Grad der Zusammendrückung des Materials des Flächengebildes 1 zwischen den Scheiteln der Gravur und der Stirnseite 2'' der Sonotrode 2 an. Wenn sich die Gegenwalze 5 unter den in dem Arbeitsspalt wir­ kenden Kräften durchbiegt, vergrößert sich der Abstand von den Sonotroden 2 in der Mitte der Bahnbreite und nimmt der Effekt des Ultraschalls, also z. B. die Verfestigung des Vlieses, dort ab. Aus diesem Grunde ist die Gegenwalze 5 als durchbiegungssteuerbare Walze mit einer um die zur Zeichenebene senkrechte Achse 4 umlaufenden Hohlwalze 8 ausgebildet, die der Länge nach von einem undrehbaren Querhaupt 9 durchgriffen ist, welches an den Enden maschi­ nenfest abgestützt ist. In dem Querhaupt 9 sind auf der Seite des Spalts 7 hydraulisch betätigte Stützelemente 10 vorgesehen, die längs einer Mantellinie zu mehreren in einer Reihe angeordnet und nach Art von Kolben/Zylinder­ einheiten mit einer durch das Querhaupt 9 mit Druckflüs­ sigkeit versorgten Zylinderkammer 12 ausgebildet sind. Die Stützelemente 10 liegen mit hydraulischen Lagertaschen gegen den Innenumfang 11 der Hohlwalze 8 an und übertragen Kraft gegen diesen Innenumfang. Das Querhaupt 9 kann sich unter der von den Stützelementen 10 verursachten Linienbe­ lastung innerhalb der Hohlwalze 8 durchbiegen, so daß diese frei von den belastungsbedingten Biegebeanspruchun­ gen ist und gerade bleibt bzw. unabhängig von der Bela­ stung einen bestimmten Verlauf einhält.
Die durch die Ultraschallbehandlung angestrebten Effekte beruhen, wie bereits erwähnt, auf einer durch den Ultraschall verursachten lokalen Temperaturerhöhung in dem Material des Flächengebildes 1. Die Temperaturerhöhung wird durch die Schwingungen der Sonotrode 2 verursacht und ist in ihrem zeitlichen Anstieg bis zur gewünschten Pla­ stifizierungs- bzw. Schmelztemperatur durch die übertrag­ bare Ultraschall-Leistung begrenzt.
Um das Erreichen der lokal erforderlichen Plastifi­ zierung zu beschleunigen, kommen erfindungsgemäß mehrere Maßnahmen in Betracht, die in der schematischen Zeichnung gleichzeitig dargestellt sind, wobei dies aber so zu ver­ stehen ist, daß schon das Vorhandensein nur einer dieser Maßnahmen die Erfindung verwirklicht.
Die erste dieser Maßnahmen besteht darin, die Gegen­ walze 5 zu beheizen, so daß sie an ihrem arbeitenden Um­ fang eine über der Raumtemperatur, jedoch unterhalb des Plastifizierungsbereichs des Materials des Flächengebildes 1 gelegene Temperatur aufweist. Die Beheizung ist in dem schematischen Ausführungsbeispiel durch achsparallele über die Länge der Hohlwalze 8 durchgehende sogenannte periphe­ re Bohrungen 13 versinnbildlicht, die an den Enden mäan­ derförmig verbunden sind und durch die ein fluides Heizme­ dium geleitet werden kann. Es versteht sich aber, daß auch alle anderen bekannten Verfahren zur Beheizung der Hohl­ walze 8 eingesetzt werden können, z. B. Beheizung über die Hydraulikflüssigkeit der Stützelemente 10, induktive Be­ heizung von innen oder außen und dergleichen. Durch die Beheizung übertragen die Scheitel 6' der Gravur 6 in dem Arbeitsspalt 7 Wärme auf das Material des Flächengebildes 1, so daß in diesen die durch die Sonotrode 2 bewirkte Temperaturerhöhung schneller zur Erreichung der gewünsch­ ten Temperatur führt.
Um die erhöhte Temperatur der Scheitel der Gravur 6 besser zur Geltung zu bringen, kann es sich empfehlen, das Flächengebilde 1 in der gestrichelt als 1' dargestellten Weise vor dem Erreichen des Arbeitsspalts 7 auf einem Umschlingungswinkel 14 um die Gegenwalze 5 zu leiten, damit die Gravur schon vor Erreichen des Spalts 7 und vor Einwirkung des Ultraschalls Gelegenheit hat, während einer gewissen Zeit Wärme auf die nachfolgend der Ultraschall­ einwirkung ausgesetzten Stellen des Flächengebildes 1 zu übertragen.
Eine weitere in Betracht kommende Maßnahme besteht in der Beheizung des Flächengebildes 1 selbst. In der Zeich­ nung ist unterhalb der Warenbahn 1 eine röhrenförmiges, quer über die Breite des Flächengebildes 1 reichendes Infrarot-Heizelement 15 dargestellt, welches Wärme teils als Strahlung, teils konvektiv gegen die Unterseite des Flächengebildes 1 richtet, bevor dieses in den Spalt 7 einläuft. Bei der gezeigten Anordnung des Heizelementes 15 in dem Zwickel zwischen der Gegenwalze 5 und der Unter­ seite des Flächengebildes 1 strahlt das Heizelement 15 auch gegen die Oberfläche der Gegenwalze 5 und führt auch dort eine gewisse Temperaturerhöhung herbei.
Wenn das Flächengebilde 1 in der mit 1' bezeichneten Weise vor Erreichen des Arbeitsspalts 7 über einem Um­ schlingungswinkel 14 über die Gegenwalze 5 geführt wird, kann ein weiteres Heizelement 16 gleicher oder ähnlicher Art in dem Zwickel zwischen der Unterseite des Flächenge­ bildes 1 und der Gegenwalze 5 angeordnet sein. Ein Heizel­ ement 15 hat aber auch in diesem Fall seinen Sinn, weil es zusätzlich die Oberseite des Flächengebildes 1 aufheizt.
Wenn das Flächengebilde 1 in einer Ebene durch die Vorrichtung 100 geführt wird, kann ein strahlendes Heizel­ ement 17 auch oberhalb des Flächengebildes 1 kurz vor dessen Einlauf in den Arbeitsspalt 7 vorgesehen sein und dessen Oberseite aufwärmen. Bei der gezeigten Anordnung in dem Zwickel zwischen dem einlaufenden Flächengebilde 1 und der Sonotrode 2 wird auch das untere Ende 2' der Sonotrode 2 gleichzeitig aufgewärmt.
Es versteht sich, daß es auf die Art der Heizelemente 15, 16, 17 nicht ankommt. Statt Infrarotstrahlern können auch andere bekannte Heizvorrichtungen wie z. B. Mikrowel­ lenheizungen oder dergleichen eingesetzt werden.
Schließlich ist es auch möglich, das untere Ende 2' der Sonotrode 2 mit Heizelementen 18 zu versehen, die ihre Wärme durch Leitung auf das untere Ende 2 übertragen. Es kann sich um elektrische Heizwicklungen oder dergleichen handeln.

Claims (10)

1. Verfahren zum Ultraschallbearbeiten eines in sei­ ner Ebene bewegten Flächengebildes (1) aus thermoplasti­ schem Material, bei welchem das Flächengebilde (1) zwi­ schen einer mit einer Ultraschallschwingeinheit verbunde­ nen Sonotrode (2) und einem Gegenwerkzeug hindurchgeleitet und in dem Arbeitsspalt (7) zwischen Sonotrode (2) und Gegenwerkzeug der Ultraschalleinwirkung ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der zusammenwirkenden Elemente (Sonotrode (2), Flächengebilde (1), Gegenwerkzeug) während der Ultraschalleinwirkung beheizt wird.
2. Vorrichtung (100) zum Ultraschallbearbeiten eines in seiner Ebene bewegten Flächengebildes (1) aus thermo­ plastischem Material, mit einer mit einer Ultraschall­ schwingeinheit verbundenen Sonotrode (2) mit einer vor­ deren Arbeitsfläche (2''),
mit einem der Arbeitsfläche (2'') der Sonotrode (2) gegenüberstehenden Gegenwerkzeug
und mit Mitteln zum Hindurchleiten des Flächengebil­ des (1) durch den Arbeitsspalt (7) zwischen der Arbeits­ fläche (2''), der Sonotrode (2) und dem Gegenwerkzeug, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens eines der zusammenwirkenden Elemente (Sonotrode (2), Flächengebilde (1), Gegenwerkzeug) beheiz­ bar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Gegenwerkzeug eine umlaufende gravierte be­ heizbare Gegenwalze (5) ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß das Flächengebilde (1) vor Erreichen des Arbeits­ spalts (7) auf einem Umschlingungswinkel (14) um die be­ heizte Gegenwalze (5) geleitet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode (2) beheizbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Sonotrode (2) nahe der Arbeitsfläche (2'') eine Heizwicklung (18) trägt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß eine auf die Sonotrode (2) einwirkende Strahlungsheizvorrichtung (17) vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Arbeitsspalt (7) in Bewegungsrichtung des Flächengebildes (1) vorgeschaltete Vorrichtung (15, 16, 17) zur Beheizung des Flächengebildes (1) vorgesehen ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Heizvorrichtung (15, 16, 17) vorgesehen ist, mittels derer mindestens zwei der Elemente (1, 2, 5) gemeinsam beheizbar sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß in dem Zwickel zwischen dem Flächengebilde (1) und der Gegenwalze (5) bzw. der Sonotrode (2) eine Strah­ lungs- oder Konvektionsheizung (15, 17) angeordnet ist, die sowohl auf das Flächengebilde (1) als auch auf die Gegen­ walze (5) bzw. die Sonotrode (2) wirkt.
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