DE19861021A1 - Vorrichtung zum Bearbeiten einer Materialbahn mit Ultraschall - Google Patents
Vorrichtung zum Bearbeiten einer Materialbahn mit UltraschallInfo
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Abstract
Eine Vorrichtung (100) zum Bearbeiten einer kontinuierlich vorlaufenden Materialbahn (M) mit Ultraschall umfaßt einen Ultraschallerzeuger (6) und eine mit diesem in ultraschallübertragender Weise fest verbundene Sonotrode (7). Die Sonotrode hat eine Stirnseite (29), die einer Gegenwalze (30) gegenübersteht. Durch den Spalt wird die zu bearbeitende Materialbahn (M) hindurchgeführt. Die aus dem Ultraschallerzeuger (6) und der Sonotrode (7) bestehende Baugruppe ist mit dem Maschinengestell über einen piezoelektrischen Aktor (36) verbunden, mittels dessen kleine Verlagerungen der Stirnseite (29) der Sonotrode gegenüber der Umfangsfläche der Gegenwalze (30) ausgeglichen werden können.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung der dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechenden Art.
Eine derartige Vorrichtung geht aus der DE 195 26 354 C1
hervor. Die Bearbeitung besteht beispielsweise in der
Verfestigung eines aus thermoplastischen Fasern bestehen
den Vlieses durch stellenweise Verschmelzung der Fasern.
Um zu einem optimalen Bearbeitungseffekt zu kommen, bedarf
es einer sehr genauen Einhaltung des Abstandes zwischen
der Sonotrode und dem Gegenwerkzeug bzw. der Hüllfläche
des gegebenenfalls auf diesem angebrachten Reliefs. Aus
diesem Grund ist bekannten Vorrichtung ein Sensor vorgese
hen, der die Spalthöhe zwischen der Sonotrode und dem
Gegenwerkzeug erfaßt und mit des sen Signal der Abstand
geregelt wird. Die exakte und zuverlässige Erfassung der
Spalthöhe ist jedoch ein schwieriges Unterfangen und be
darf einer aufwendigen Meßeinrichtung.
Die Einhaltung einer bestimmten Spalthöhe muß so genau
erfolgen, da schon Temperaturschwankungen an der Sonotrode
und die damit einhergehenden thermischen Ausdehnungen eine
erhebliche Rolle spielen. Aus diesem Grund ist bei der
Vorrichtung nach der DE 195 13 246 C2 ein die Temperatur
der Sonotrode erfassender Sensor vorgesehen, mit dessen
Signal die Spalthöhe beeinflußt wird. Auf diese Weise wird
aber nur ein Teilaspekt der die Spalthöhe verändernden
Größe erfaßt, nämlich nur die temperaturbedingten Verlage
rungen.
Wichtige weitere die Spalthöhe im Betrieb beeinflussende
höherfrequente Änderungen ergeben sich aus den Rundlauf
fehlern der Gegenwalze, die meist das Gegenwerkzeug bil
det, sowie Unregelmäßigkeiten der Materialbahn selbst.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einhaltung
eines gleichmäßigen Bearbeitungseffektes zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die Anspruch 1 wiedergegebene
Erfindung gelöst.
Die Erfindung zielt darauf ab, auch die höherfrequenten
Ungleichmäßigkeiten, die auf Schwingungen in dem Ultra
schallbearbeitungssystem zurückzuführen sind, zu minimie
ren. Derartige schwingungsbedingte Unregelmäßigkeiten
können durch Anregungen vielfältiger Art zustande kommen,
zum Beispiel durch die erwähnten Bewegungen der Gegenwalze
aufgrund von Rundlauffehlern, von Mitnahmeeffekten der
Materialbahn, die sich an der Stirnfläche der Sonotrode
quer zu dieser als Biegebeanspruchung auswirken, usw.
Der erfindungsgemäß vorgesehene hochfrequente Aktor soll
Abstandsänderungen der Sonotroden-Stirnfläche und der
Gegenwalze gewissermaßen zuvorkommen, indem er zum Bei
spiel bei einer nicht richtig rundlaufenden Gegenwalze,
wenn diese sich der Sonotroden-Stirnfläche nähert, die
Sonotrode rechtzeitig zurückzieht, so daß es zu keiner
stoßartigen Zusammenpressung der Materialbahn kommt und
dieser Schwingungsgrund somit unterlaufen wird. Dabei geht
es nicht nur um unrund laufende Gegenwalzen, sondern zum
Beispiel auch um die Unregelmäßigkeiten der Bahn.
Der Aktor muß entsprechend der Geschwindigkeit des Auf
tretens von solchen Abstandsänderungen zwischen Sonotro
den-Stirnfläche und Gegenwalze sehr schnell reagieren
können. Eine mit einem fluiden Druckmittel betätigte Kol
ben/Zylindereinheit ist hierzu nicht in der Lage.
Deshalb ist der hochfrequente Aktor auch zusätzlich zu
einer gegebenenfalls vorhandenen derartigen Kolben/Zylin
dereinheit vorgesehen, die die Aufgabe hat, die größeren
Zustellbewegungen der Sonotrode zu bewerkstelligen.
In Betracht kommen als hochfrequente Aktoren piezoelek
trische (Anspruch 2) oder magnetostriktive Aktoren (An
spruch 3), die die in Betracht kommenden Hübe im Milli-
oder Mikrosekundenbereich ausführen können. Piezoelektri
sche Aktuatoren sind in dem Aufsatz "Piezo-Aktuatoren für
den mm-Bereich" von Tönshoff und Laux in der VDI-Z Special
Antriebstechnik April 1994, Seiten 48 bis 52 und in einem
Anwendungsbeispiel in der DE 43 25 143 beschrieben. Magne
tostriktive Aktuatoren sind schon zum Steuern der Düsen
nadel bei Einspritzventilen in der DE-PS 6 95 974 vorge
schlagen worden.
Wenn der Antrieb der Sonotrode zum Anstellen derselben
gegen das Gegenwerkzeug bzw. die Gegenwalze eine Kolben/-
Zylindereinheit umfaßt, so kann eine weitere Maßnahme zur
Unterdrückung von Schwingungen darin bestehen, diese mit
tels Drosseln zu bedämpfen, d. h. in den Zuleitungen zu den
beiden Zylinderkammern Drosseln anzubringen, die den Strom
des Druckmittels drosseln (Anspruch 4).
Um bei der Kolben/Zylindereinheit keine Losbrechkräfte
überwinden zu müssen, empfiehlt sich, sie nicht durch
Kolbenringe oder dergleichen, sondern durch eine Rollmem
bran abzudichten (Anspruch 5).
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen
Vorrichtung, teilweise im Vertikalschnitt;
Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Wiedergabe des Einspann
bereichs der Sonotrode;
Fig. 3 zeigt eine schematische Wiedergabe einer Ausfüh
rungsform der Kolben/Zylindereinheit für die
Anstellung der Sonotrode;
Fig. 4 zeigt ein Diagramm zu bekämpfender Schwingungen
im Spalt;
Fig. 5 zeigt alternative Möglichkeiten der keilförmig
aufklaffenden Anordnung der Stirnseite der Sono
trode.
Die in Fig. 1 als Ganzes mit 100 bezeichnete Vorrichtung
dient zum Verfestigen einer Materialbahn M aus einem
Vliesmaterial aus thermoplastischen Fasern. Die Vorrich
tung 100 umfaßt eine am Maschinengestell 1 befestigte
vertikale Tragplatte 2, an der im unteren Bereich eine
vertikale Geradführung 3 mit an der Tragplatte 2 befestig
ten Schienen 4 und damit zusammenwirkenden Geradführungs
elementen 5 vorgesehen ist, an denen die Ultraschallerzeu
gungseinheit 6 und die Sonotrode 7 vertikal verschiebbar
sind. Die Geradführungselemente 5 greifen an einer ver
tikalen Stützplatte 8 an, an der rohrförmige Gehäuseab
schnitte 9, 10 zur Aufnahme des Ultraschallgenerators 6
bzw. des oberen Teils der Sonotrode untergebracht sind.
Der Ultraschallgenerator 6 und die Sonotrode 7 sind mit
den Gehäusen 9, 10 nur an einer Stelle 11 verbunden, an der
sich ein Schwingungsknoten befindet. In diesem Bereich ist
ein als Ganzes mit 12 bezeichneter Haltering vorgesehen,
der am unteren Ende des Gehäuses 10 radial und insbesonde
re axial festgelegt ist.
Der Haltering 12 ist in Fig. 2 in einem durch die Achse
der Sonotrode 7 gehenden Längsschnitt dargestellt. Die
Sonotrode 7 hat einen oberhalb des Schwingungsknotens bei
11 gelegenen Abschnitt 7' und einen unterhalb des Schwin
gungsknotens gelegenen Abschnitt 7''. Im Bereich des
Schwingungsknotens bei 11 besitzt die Sonotrode 7 einen
Umfangsflansch 13. Der Haltering 12 umgreift die Sonotrode
7 im Bereich des Umfangsflanschs 13 und besitzt in dessen
Höhe eine Innenumfangsnut 14, in die der Umfangsflansch 13
radial eingreift. Die axial gerichteten Flanken 15, 16 der
Innenumfangsnut 14 liegen nicht an den entsprechenden
Flanken 17, 18 des Umfangsflansches 13 an, sondern sind
durch elastische Ringe 19, 20 von diesen getrennt, die
dafür sorgen, daßdie aus dem Ultraschallgenerator 6 und
der Sonotrode 7 bestehende Baueinheit gedämpft in dem
Gehäuse 10 abgestützt ist, so daßsich die axialen Schwin
gungen der Sonotrode 7 nur in verringertem Maß auf das
Gehäuse 10 übertragen.
Die durch die Ringe 19, 20 gegebene Schwingungskopplung
kann je nach der axialen Vorspannkraft, der die Ringe
19, 20 ausgesetzt sind, beeinflußt werden. Dies geschieht
bei der Ausführungsform nach Fig. 2 dadurch, daß der Hal
tering 12 aus zwei Teilen 12' und 12'' besteht, von denen
das einen etwa Z-förmigen Querschnitt aufweisende Teil
12'' mit der "Grundfläche" 43 des "Z" nach Art eines Kol
bens in dem einen Zylinder 44 bildenden Teil 12' geführt
ist. Die beiden Teile können sich also axial gegeneinander
verlagern. Jedes der Teile 12', 12'' besitzt einen inneren
Absatz, an dem die Flanken 15, 16 zur Zusammendrückung der
Ringe 19, 20 gebildet sind. Die Absätze bilden zusammen die
Innenumfangsnut 14. Auf der oberen Stirnseite des Teils
12' ist ein ringförmiger Deckel 21 dicht angebracht, der
sich mit seinem Innenumfang 45 bis vor die zu der Achse A
der Sonotrode 7 konzentrische Zylinderfläche 22 des im
Querschnitt etwa Z-förmig ausgebildeten Teils 12'' er
streckt und dieser gegenüber mittels einer Dichtung 46
abgedichtet ist. Auf diese Weise ist zwischen den Teilen
12' und 12'' des Halterings 12 ein ringförmiger Zylinder
raum 23 gebildet, der über eine nur angedeutete Zuleitung
24 mit Druckflüssigkeit füllbar ist. Dadurch können die
beiden Teile 12', 12'' zusammengedrückt werden, wobei die
elastischen Ringe 19, 20 je nach der Zusammendrückung va
riabel vorgespannt werden. Dadurch können die Kopplung der
Sonotrode 7 an das Gehäuse 10 und das Schwingungsverhalten
der Sonotrode 7 in einem gewissen Grade beeinflußt werden.
Die Stützplatte 8 steht nach unten über den Haltering 12
ein beträchtliches Stück vor und besitzt an ihrem unteren
Ende einen gegen die Sonotrode 7 gerichteten Stützbock 26,
an welchem die Sonotrode 7 einseitig über ein Gleitstück
27 anliegt. Der Stützbock 26 erfaßt die Sonotrode so weit
unten, wie es konstruktiv möglich ist. Er liegt im Bereich
eines weiteren Schwingungsknotens 28, der der arbeitenden
Stirnfläche 29 der Sonotrode benachbart ist.
Diese Stirnfläche 29 liegt einem Gegenwerkzeug in Gestalt
einer umlaufenden Gegenwalze 30 mit geringem Abstand ge
genüber. Die Gegenwalze 30 trägt ein Relief, dessen Muster
das Verfestigungsmuster bestimmt.
Zwischen der Stirnfläche 29 der Sonotrode 7 und dem Umfang
der Gegenwalze 30 wird die Materialbahn M hindurchgeführt,
die aus dem erwähnten Vlies aus thermoplastischen Fasern
bestehen kann. Durch die hochfrequenten Kompressionen, die
das Material zwischen den Scheiteln des Reliefs der Gegen
walze 30 und der Stirnseite 29 der Sonotrode 7 erfährt,
kommt es zu lokalen Temperaturerhöhungen bis zur Erwei
chung der thermoplastischen Fasern. Wenn es nur um eine
Verfestigung eines Vlieses geht, muß die Erwärmung so
dosiert werden, daßgerade ein Zusammenschmelzen der Fa
sern erfolgt, jedoch Durchbrüche in dem Material vermieden
werden. Bei entsprechender Steuerung des Energieeintrags
über die Sonotrode 7 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 7 und der Gegenwalze 30 ausgesetzt ist, ist also
für den Bearbeitungseffekt durchaus kritisch. Dieser Ener
gieeintrag hängt auch von der in dem Spalt herrschenden
Kraft zwischen der Stirnseite 29 der Sonotrode 7 und der
Gegenwalze 30 ab. Es ist plausibel, daßsich die Wirkungen
der Ultraschallschwingungen umso stärker bemerkbar machen,
je fester die Materialbahn M in dem Spalt zusammengedrückt
wird.
Die Stützplatte 8, die den Ultraschallgenerator 6 und die
Sonotrode 7 trägt, ist an der Geradführung 3 vertikal
beweglich. Sie wird vertikal über eine Kraftmeßdose 32 von
einer Kolben/Zylindereinheit 34 gehalten, die über die
Zuleitungen 31, 33 mit einem fluiden Medium versorgt wird
und die ihrerseits an einem piezoelektrischen Aktuator 36
sitzt, der mit seinem oberen Ende an einer Abwinklung 38
der Tragplatte 2 angebracht ist. Diese Verbindung ist die
einzige Verbindung der Teile 8, 32, 34, 36 mit der Tragplatte
2.
Die Kraftmeßdose 32 erfaßt die Kraft, mit der die Sonotro
de 7 in dem Spalt zwischen der Stirnseite 9 der Sonotrode
7 und der Gegenwalze 30 auf die Materialbahn M gedrückt
wird, und dient zur Steuerung dieser Kraft. Die Kolben/-
Zylindereinheit 34 dient zur Ausführung von Anstellbewe
gungen. Zur Vermeidung von Stick-Slip-Effekten kann, wie
es in Fig. 3 schematisch angedeutet ist, der Kolben 35 der
Kolben/Zylindereinheit 34 über eine Rollmembran 46 abge
dichtet sein. Außerdem können der Kolben/Zylindereinheit
34 Dämpfungsglieder 37 mit je einer Drossel 48 und einem
Druckspeicher 39 zugeordnet sein, um zu vermeiden, daß
durch Stöße auf die Sonotrode achsparallele Schwingungen
entstehen können.
Die an der Kraftmeßdose 32 gemessenen Veränderungen der
Kraft in dem Spalt an der Stirnseite 29 der Sonotrode sind
ein Indiz dafür, daß dieser Spalt zu eng bzw. zu weit ist.
Die gemessenen Kraftänderungen können dazu verwendet wer
den, den piezoelektrischen Aktor 36 anzusteuern, der ein
ziemlich hochfrequentes Stellglied darstellt, welches mit
ganz kurzen Stellzeiten Verlagerungen in der geforderten
Größenordnung von einigen hundertsteln oder wenigen zehn
tel Millimetern zustande bringt. Auf diese Weise können
der Spalt an der Stirnseite 29 auf einer Höhe h und damit
auch die Einwirkung auf die Materialbahn M konstant gehal
ten werden.
Die Spalthöhe kann zum Beispiel durch einen Rundlauffehler
der Gegenwalze 30 periodisch größer und kleiner werden,
wie es aus Fig. 4 ersichtlich ist. Die Wellenlänge t'
entspricht einer Umdrehung der Gegenwalze 30. Der zeitli
che Verlauf der Spalthöhe h ist durch die Kurve 40 wie
dergegeben, soweit er auf den Rundlauffehler zurückzufüh
ren ist. Die gleichmäßige Wellenbewegung 40 aufgrund des
Rundlauffehlers ist überlagert von höherfrequenten Störun
gen, die aus Ungleichmäßigkeiten der Dicke und Zusammen
drückbarkeit der einlaufenden Materialbahn M herrühren.
Die sich ergebende tatsächliche Kurve 40' kann zumindest
teilweise mit Hilfe des piezoelektrischen Aktors 36 ausge
regelt werden. Mit Hilfe des Aktors kann auch eine Stör-
oder Gegenfrequenz aufgeschaltet werden, die das Gesamt
system schwingungstechnisch neutralisiert.
Wie in Fig. 1 übertrieben dargestellt ist, bildet sich an
der auf der Einlaufseite gelegenen Kante der Stirnfläche
29 eine Art Wulst 41, der zu einer Kraft F in Laufrichtung
der Materialbahn M auf das vordere Ende der Sonotrode 7
senkrecht zu dieser Anlaß ist. Diese Kraft F soll durch
die Gegenkraft F' an dem Abstützpunkt 26 abgefangen wer
den, damit es nicht zu Biegeschwingungen des frei vorste
henden unteren Endes der Sonotrode 7 kommt.
Die Kraft F kann aber auch durch geeignete Gestaltung des
vorderen Endes der Sonotrode 7 vermindert werden.
Gemäß Fig. 5a ist die Stirnseite 29 der Sonotrode 7 gegen
die einlaufende Materialbahn M hin aufklaffend unter einem
Winkel α zur Horizontalen abgeschrägt, so daßein keil
artiges Einlaufmaul 42 gebildet ist. Die Wirkung kann auch
erzielt werden, wenn gemäß Fig. 5b die Sonotrode mit ihrer
Achse A nicht durch die Achse der Gegenwalze 30 geht, son
dern bei zu der Achse A senkrechter Stirnfläche 29 unter
einem Winkel β zur Vertikalen schräg steht. Auch hierbei
ergibt sich ein aufklaffendes Einlaufmaul 42, welches die
Bildung von Wulsten 41 gemäß Fig. 1 verhindert. Auch bei
der Ausführungsform nach Fig. 5c ist das Einlaufmaul 42
erreicht, indem die Sonotrode 7 aus der durch die Achse
der Gegenwalze 30 gehenden Ebene um den Betrag X gegen die
einlaufende Materialbahn M versetzt ist. Auch hierbei
ergibt sich ein Einlaufmaul, welches querkraftfördernde
Wulste 41 nach Fig. 1 zu verhindern in der Lage ist.
Claims (5)
1. Vorrichtung (100) zum Bearbeiten einer kontinuierlich
vorlaufenden Materialbahn (M),
mit einem eine Sonotrode (7) aufweisenden Ultra schallgenerator (6),
mit einem der Stirnseite (29) der Sonotrode (7) ge genüberliegenden Gegenwerkzeug (30),
mit Mitteln zum Hindurchführen der Materialbahn (M) durch die Spalt zwischen der Sonotrode (7) und dem Gegenwerkzeug (30)
und mit einem Antrieb (34) zum Anstellen der Sonotro de (7) gegen das Gegenwerkzeug, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sonotrode (7) in ihrer Schwingungsrichtung über einen hochfrequenten Aktor (36) abgestützt ist, der von einer Steuerung beaufschlagt ist, die auf gemessene Veränderungen der Kraft oder des Abstands zwischen der Stirnseite (29) der Sonotrode (7) und dem Gegenwerkzeug (30) reagiert.
mit einem eine Sonotrode (7) aufweisenden Ultra schallgenerator (6),
mit einem der Stirnseite (29) der Sonotrode (7) ge genüberliegenden Gegenwerkzeug (30),
mit Mitteln zum Hindurchführen der Materialbahn (M) durch die Spalt zwischen der Sonotrode (7) und dem Gegenwerkzeug (30)
und mit einem Antrieb (34) zum Anstellen der Sonotro de (7) gegen das Gegenwerkzeug, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sonotrode (7) in ihrer Schwingungsrichtung über einen hochfrequenten Aktor (36) abgestützt ist, der von einer Steuerung beaufschlagt ist, die auf gemessene Veränderungen der Kraft oder des Abstands zwischen der Stirnseite (29) der Sonotrode (7) und dem Gegenwerkzeug (30) reagiert.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Aktor (36) ein piezoelektrischer Aktor ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Aktor (36) ein magnetostriktiver Aktor ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Antrieb eine hydraulische
Kolben/Zylindereinheit (34) umfaßt, die mittels Dämp
fungseinheiten (37) mit Drosseln (48) und Druckspei
chern (39) bedämpft ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kolben (35) der Kolben/Zylindereinheit (34)
mittels einer Rollmembran (46) abgedichtet ist.
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