DE19906873A1 - Vorrichtung zum Fügen von Materiallagen durch Ultraschallschweißen - Google Patents

Vorrichtung zum Fügen von Materiallagen durch Ultraschallschweißen

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Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zum Fügen von Materiallagen durch Ultraschallschweißen. Bei dieser Vorrichtung ist auf der der Ultraschalleinheit gegenüberliegenden Seite der Materiallagen kein "passiver" Amboß, sondern eine zweite Ultraschalleinheit angeordnet, wobei die Sonotroden der beiden Ultraschalleinheiten zum Durchführen des Schweißvorganges so zusammenwirken, daß sie ihre Ultraschallenergie gleichzeitig an gegenüberliegenden Seiten in den Fügebereich der zu fügenden Materiallagen einleiten. Hierdurch wird insbesondere die Schweißdauer im Vergleich zu herkömmlichen Schweißvorrichtungen verkürzt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Fügen mindestens zweier Materiallagen durch Ultraschallschweißen.
Derartige Schweißvorrichtungen besitzen üblicherweise eine Ultraschallein­ heit (schwingende Einheit), die sich aus einem Konverter, einem Booster und einer Sonotrode zusammensetzt und welche die Ultraschallenergie über die Sonotrode in den Fügebereich einleitet. Auf der der Sonotrode gegenüberliegenden Seite der zu tilgenden Materiallagen ist normalerweise ein Amboß vorgesehen, wobei die zu fü­ genden Materiallagen während des Schweißvorgangs zwischen dem stillstehenden Amboß und der schwingenden Sonotrode zusammengedrückt werden.
Bei bestimmten herkömmlichen Ultraschall-Schweißvorrichtungen sind die Ultraschalleinheit, der Amboß wie auch die zu tilgenden Materiallagen während des Schweißvorganges stationär (Plungewelding). Es sind jedoch auch Ultraschall- Schweißvorrichtungen bekannt, bei denen die zu fügenden Materiallagen (z. B. Ma­ terialbahnen aus Vliesen oder anderen flexiblen Stoffen) zwischen der schwingen­ den Sonotrode und dem gegenüberliegenden Amboß hindurchgezogen werden (Scanwelding). Auch sind rotierende Schweißmaschinen bekannt, bei denen die ro­ tationssymmetrisch ausgebildete Sonotrode während des Schweißvorganges um ihre Symmetrieachse rotiert, um relativ zu den linear bewegten Materiallagen eine Ab­ rollbewegung auszuführen. Schließlich ist es auch bereits bekannt, die Ultraschall­ einheit und den Amboß zusammen mit den zu fügenden Materiallagen während des Schweißvorganges linear mitzubewegen.
Bei derartigen Ultraschall-Schweißvorrichtungen hängt die Schweißdauer von dem Betrag der Ultraschallenergie ab, die innerhalb einer vorgegebenen Zeit in den Fügebereich eingeleitet werden kann. Die Schweißdauer läßt sich daher nicht beliebig verkürzen. Bei zahlreichen Anwendungen wie beispeilsweise in der Ver­ packungsindustrie ist es jedoch wünschenswert, die Schweißdauer so kurz wie möglich zu halten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Fügen mindestens zweier Materiallagen durch Ultraschallschweißen zu schaffen, bei der die Schweißdauer gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen deutlich verringert ist.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 definierte Erfindung gelöst.
Bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung ist auf der der Ultra­ schalleinheit gegenüberliegenden Seite der zu fügenden Materiallagen statt eines "passiven" Ambosses eine zweite Ultraschalleinheit angeordnet, wobei die Sonotro­ den der gegenüberliegenden Ultraschalleinheiten zum Durchführen des Schweiß­ vorganges so zusammenwirken, daß sie ihre Ultraschallenergie gleichzeitig von ge­ genüberliegenden Seiten in den Fügebereich der zu fügenden Materiallagen einlei­ ten.
Da somit mehr Ultraschallenergie pro Zeit in den Fügebereich eingeleitet wird, verringert sich die Schweißdauer erheblich. Wie Versuche gezeigt haben, läßt sich durch die Erfindung die Schweißdauer gegenüber einer herkömmlichen Schweißvorrichtung mit einem "passiven" Amboß halbieren. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die zu fügenden Materiallagen nicht am Amboß hängenbleiben können.
Es versteht sich, daß bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung die gegenüberliegenden Ultraschalleinheiten hinsichtlich ihrer Schweißparameter wie z. B. Leistung, Frequenz, Phase und Amplitude aufeinander abgestimmt werden müssen. Zweckmäßigerweise sind die Sonotroden der gegenüberliegenden Ultra­ schalleinheiten so ausgebildet, daß sie ihre Ultraschallenergie mit gleich großer und gegensinnig gerichteter Schwingungsamplitude in den Fügebereich einleiten. Je nach Anwendung ist es jedoch möglicherweise vorteilhaft, die Ultraschalleinheiten so zu steuern, daß sie ihre Ultraschallenergie mit unterschiedlicher Frequenz und/oder Phase und/oder Amplitude und/oder Leistung abgeben.
Die Ultraschalleinheiten können an einem gemeinsamen Generator oder auch an getrennten Generatoren angeschlossen sein. Um eine präzise Steuerung der Schweißparameter zu ermöglichen, sollte es sich zweckmäßigerweise um digitale Generatoren handeln.
Besonders vorteilhaft läßt sich die erfindungsgemäß ausgebildete Vorrich­ tung bei einer sogenannten Schlauchbeutelmaschine einsetzen, bei der die zu fügen­ den Materiallagen aus den Quernähten eines in Behältnisse zu unterteilenden schlauchförmigen Gebildes bestehen. Hierbei ist zweckmäßigerweise eine För­ dereinrichtung vorgesehen, welche die gegenüberliegenden Ultraschalleinheiten vor Beginn des Schweißvorganges aus einer Ausgangsstellung aufeinander zu bewegt, um ihre Sonotroden in Anlage mit den Quernähten zu bringen, welche die gegen­ überliegenden Ultraschalleinheiten während des Schweißvorganges gemeinsam mit dem schlauchförmigen Gebilde linear weiterbewegt, welche die gegenüberliegenden Ultraschalleinheiten nach Beendigung des Schweißvorganges voneinander wegbe­ wegt, um ihre Sonotroden außer Eingriff mit den Quernähten zu bringen, und wel­ che die beiden gegenüberliegenden Ultraschalleinheiten anschließend in ihre Aus­ gangsstellung zurückbewegt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprü­ chen definiert.
Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 in schematisierter Weise eine Ultraschall-Schweißvorrichtung, bei der die Ultraschallenergie durch longitudinale Wellen in die zu fügenden Mate­ riallagen eingeleitet wird;
Fig. 2 eine Rotationsschweißvorrichtung, bei der die Ultraschallener­ gie durch transversale Schwingungen in die zu fügenden Materiallagen eingeleitet wird;
Fig. 3 in stark schematisierter Weise eine Seitenansicht der Vorrich­ tung in Fig. 2;
Fig. 4 in stark schematisierter Darstellung eine Schlauchbeutelma­ schine mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten Ultraschall-Schweißvorrichtung.
Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Ultraschall-Schweißvorrichtung dient zum Schweißen oder Siegeln zweier Materiallagen 2, 4. Bei den Materiallagen 2, 4 kann es sich um zwei getrennte Teile oder auch um zwei Nähte ein und desselben Teiles handeln. Als Material der Materiallagen 2, 4 kommen im Prinzip alle durch Ultraschall schweißbaren Materialien in Bahnform oder anderer Form wie z. B. Thermoplaste, textile Flächengebilde wie z. B. Vliese (Nonwovens), beschichtete Papiere usw. in Betracht. Selbstverständlich können auch mehr als zwei Materialla­ gen miteinander verschweißt werden.
Die in Fig. 1 dargestellte Schweißvorrichtung besitzt eine obere Ultraschall­ einheit 6, die in herkömmlicher Weise aus einem Konverter 8, einem Booster 10 und einer Sonotrode 12 besteht. Der Konverter 8 ist mit einem (nicht gezeigten) Ge­ nerator verbunden, der elektrische Energie von 50 Hz in elektrische Energie von z. B. 20 kHz umwandelt. Der Konverter 8 wiederum wandelt die elektrische Energie von 20 kHz in mechanische Energie, d. h. Schwingungen von 20 kHz, um, die dann von der Sonotrode 12 in Form longitudinaler Schwingungen in den Fügebereich der zu fügenden Materiallagen 2, 4 eingeleitet wird. Der zwischen dem Konverter 8 und der Sonotrode 12 vorgesehene Booster 10 ist ein Amplitudentransformator zum Er­ höhen oder Verringern der Schwingungsamplitude.
Auf der mit der Ultraschalleinheit 6 gegenüberliegenden Seite der Material­ lagen 2, 4 ist eine zweite Ultraschalleinheit 14 angeordnet, die wie die Ultraschall­ einheit 6 aus einem Konverter 16, einem Booster 18 und einer Sonotrode 20 besteht. Die Anordnung ist hierbei so getroffen, daß die beiden Ultraschalleinheiten 6, 14 auf der gleichen Achse liegen, jedoch entgegengesetzt gerichtet sind.
Während des Schweißvorganges werden die Sonotroden 12, 20 der beiden Ultraschalleinheiten 6, 14 mit einem vorgegebenen Schweißdruck von gegenüber­ liegenden Seiten aus gegen die zu fügenden Materiallagen 2, 4 angedrückt und dann in Schwingungen versetzt. Die Sonotroden 12, 20 leiten somit gleichzeitig ihre Ul­ traschallenergie von gegenüberliegenden Seiten aus in den Fügebereich der zu fü­ genden Materiallagen 2, 4 ein. Hierbei werden sie von einem gemeinsamen Gene­ rator (nicht gezeigt) oder auch zwei getrennten Generatoren (nicht gezeigt) so ge­ steuert, daß ihre Schwingungsparameter wie Amplitude, Frequenz und Phase zur Erzielung eines optimalen Schweißergebnisses aufeinander abgestimmt werden. Zweckmäßigerweise erfolgt die Steuerung in der Weise, daß die gegenüberliegen­ den Sonotroden 12, 20 ihre Ultraschallenergie mit gleich großer, jedoch entgegen­ gesetzt gerichteter Amplitude in den Fügebereich einleiten.
Beträgt die Leistung einer Ultraschalleinheit beispielsweise 2000 W, so kön­ nen beide Ultraschalleinheiten 6, 14 gemeinsam - zumindest theoretisch - eine Lei­ stung von 4000 W in den Fügebereich einleiten. Es leuchtet daher ohne weiteres ein, daß sich hierdurch die Schweißdauer entsprechend verkürzen (halbieren) läßt.
Wie bereits eingangs erwähnt, ist der Generator bzw. sind die Generatoren vorteilhafterweise als digitale Generatoren ausgebildet, da sich hierdurch die Schweißparameter wie Leistung, Amplitude, Frequenz und Phase besonders exakt und in nahezu beliebiger Vielfalt steuern lassen.
Wie in Fig. 1 durch den Pfeil A angedeutet, werden die Materiallagen 2, 4 während des Schweißvorganges zwischen den beiden Sonotroden 12, 20 hindurch­ gezogen, also relativ zu den stationär angeordneten Sonotroden 12, 20 linear be­ wegt. Es versteht sich jedoch, daß die zu fügenden Materiallagen bzw. Teile je nach Anwendungsfall ebenfalls stationär gehalten werden könnten.
Bei der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Ausführungsform, bei der der Fig. 1 entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, sind wie­ derum zwei Ultraschalleinheiten 6 und 14 vorgesehen, die auf gegenüberliegenden Seiten der zu fügenden Materiallagen 2, 4 angeordnet sind. Unterschiedlich gegen­ über der Ausführungsform der Fig. 1 sind jedoch die Anordnung der Ultraschallein­ heiten 6, 14 sowie die Form der Sonotroden 12, 20:
An den sich verjüngenden Enden der Sonotroden 12, 20 sind kreiszylindri­ sche Scheiben angeformt (siehe Fig. 3), die an ihrer Oberfläche gerändelt sein kön­ nen (Fig. 2). Die Symmetrieachsen S der Ultraschalleinheiten 6, 14 sind nicht wie in Fig. 1 senkrecht, sondern parallel zu den Oberflächen der zu fügenden Materialla­ gen 3, 4 angeordnet (Fig. 2). Ferner sind die Ultraschalleinheiten 6, 14 und somit ihre Sonotroden 12, 20 um ihre Symmetrieachsen S drehbar gelagert.
Während des Schweißvorgangs rotieren die Ultraschalleinheiten 6, 14 um ihre Symmetrieachsen S. und gleichzeitig werden die Materiallagen 3, 4 zwischen den kreiszylindrischen Ansätzen der Sonotroden 12, 20 in Richtung des Pfeils A (Fig. 3) hindurchgezogen. Die Sonotroden 12, 20 führen somit eine Rollbewegung bezüglich der zu fügenden Materiallagen 3, 4 aus.
Die Ultraschallenergie wird von den Sonotroden 12, 20 in Form transversaler Schwingungen auf die zu fügenden Materiallagen 2, 4 übertragen, wie durch die Pfeile T in Fig. 2 angedeutet ist. Im übrigen wirken die gegenüberliegenden So­ notroden 12, 20 in der gleichen Weise wie bei der Ausführungsform der Fig. 1 zu­ sammen.
Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform sind zwei Paare von Ultra­ schalleinheiten 6, 14 und 6', 14' vorgesehen, die einen Teil einer nur sehr schema­ tisch angedeuteten Schlauchbeutelmaschine bilden. In der Schlauchbeutelmaschine wird eine Materialbahn 21 z. B. in Form einer Kunststofffolie oder eines beschichte­ ten Papiers von einer Rolle 22 vertikal nach unten abgezogen und mittels einer Formschulter 24 zu einem Schlauch 26 geformt, dessen Längsnaht in hier nicht weiter interessierender Weise geschlossen wird. Der Schlauch 26, der über ein Füll­ rohr 27 mit einer Flüssigkeit gefüllt wird, wird durch Quernähte in geschlossene Behältnisse unterteilt. Diese Quernähte bilden bei diesem Ausführungsbeispiel die Materiallagen 2, 4 bzw. 2', 4', die durch die gegenüberliegenden Ultraschalleinheiten 6, 14 und 6', 14' zu fügen bzw. zu siegeln sind.
Die Ultraschalleinheiten 6, 14 und 6', 14' sind wie bei der Ausführungsform der Fig. 1 ausgebildet und in der gleichen Weise relativ zueinander sowie relativ zu den Materiallagen angeordnet. Unterschiedlich gegenüber Fig. 1 ist jedoch, daß die Ultraschalleinheiten 6, 14 und 6', 14' während des Schweißvorganges gemeinsam mit dem Schlauch 26 mitbewegt werden. Zu diesem Zweck ist eine Fördereinrich­ tung in Form zweier umlaufender Förderer 28, 30 vorgesehen, die lediglich durch ihren Bewegungsablauf in Fig. 4 schematisch angedeutet sind.
Die Funktionsweise und der Bewegungsablauf der Fördereinrichtung 28, 30 und damit der Ultraschalleinheiten 6, 14 und 6', 14' ist wie folgt: Vor Beginn eines Schweißvorganges werden die einander gegenüberliegenden Ultraschalleinheiten 6, 14 längs ihrer Symmetrieachsen S aufeinander zu bewegt, bis ihre Sonotroden 12, 20 auf gegenüberliegenden Seiten an den Quernähten des Schlauches 26 angreifen.
Während des nun folgenden Schweißvorganges bewegen sich die Ultraschalleinhei­ ten 6, 14 gemeinsam mit dem Schlauch 26 vertikal nach unten. Am Ende des Schweißvorganges werden die Ultraschalleinheiten 6, 14 auseinanderbewegt, um ihre Sonotroden 12, 20 außer Eingriff mit dem schlauchförmigen Gebilde 26 zu bringen. Hierauf werden die Ultraschalleinheiten 6, 14 wieder in ihre Ausgangsstel­ lung zurückbewegt.
Das zweite Paar von Ultraschalleinheiten 6', 14' führt den gleichen Arbeits­ zyklus aus, jedoch zeitlich versetzt zu dem Arbeitszyklus der Ultraschalleinheiten 6, 14. Während somit beispielsweise die Ultraschalleinheiten 6, 14 während des Schweißvorganges mit dem Schlauch 26 nach unten bewegt werden, werden die Ultraschalleinheiten 6', 14' an den Ultraschalleinheiten 6, 14 vorbei in ihre Aus­ gangsstellung zurückbewegt, so daß die Ultraschalleinheiten 6', 14' ihren Schweiß­ vorgang beginnen können, sobald die Ultraschalleinheiten 6, 14 ihren Schweißvor­ gang beendet haben. Auf diese Weise wird eine praktisch kontinuierliche Arbeits­ Weise der Schlauchbeutelmaschine ermöglicht.
Während des Schweißvorganges wirken die Sonotroden 12, 20 bzw. 12', 20' zum Fügen der Schweißnähte im Prinzip in der gleichen Weise zusammen wie an­ hand der Fig. 1 beschrieben. Da aufgrund der paarweisen Zuordnung der Ultraschal­ leinheiten 6, 14 bzw. 6', 14' wesentlich mehr Ultraschallenergie pro Zeit als bei herkömmlichen Schlauchbeutelmaschinen mit auf nur einer Seite angeordneten Ul­ traschalleinheiten in die Fügebereiche eingeleitet werden kann, werden die Schweißdauer und damit die Taktzeiten der Maschine erheblich verkürzt. Der Aus­ stoß der Maschine läßt sich somit gegenüber einer herkömmlichen Maschine nahezu verdoppeln.
Bei der dargestellten Ausführungsform sind zwei Paare von Ultraschallein­ heiten dargestellt. Es versteht sich jedoch, daß auch nur ein Paar oder mehr als zwei Paare vorgesehen werden können. Selbstverständlich läßt sich das Prinzip der ge­ genüberliegenden Ultraschalleinheiten nicht nur bei einer vertikalen Schlauchbeu­ telmaschine (Fig. 4), sondern auch bei einer horizontalen Schlauchbeutelmaschine (mit horizontaler Bewegung des Schlauches) verwirklichen.

Claims (12)

1. Vorrichtung zum Fügen mindestens zweier Materiallagen durch Ultra­ schallschweißen, mit einer auf einer Seite der Materiallagen (2, 4) angeordneten ersten Ultraschalleinheit (6) und einer auf der gegenüberliegenden Seite der Mate­ riallagen (2, 4) angeordneten zweiten Ultraschalleinheit (14), deren Sonotroden (12, 20) zum Durchführen des Schweißvorgangs so zusammenwirken, daß sie ihre Ultra­ schallenergie gleichzeitig von gegenüberliegenden Seiten in den Fügebereich der zu fügenden Materiallagen (2, 4) einleiten.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotro­ den (12, 20) der beiden gegenüberliegenden Ultraschalleinheiten (6, 14) so ausge­ bildeten sind, daß sie ihre Ultraschallenergie mit gleich großer und gegensinnig ge­ richteter Schwingungsamplitude in den Fügebereich einleiten.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wäh­ rend des Schweißvorganges die gegenüberliegenden Ultraschalleinheiten (6, 14) mit ihren Sonotroden (12, 20) und die zu fügenden Materiallagen (2, 4) stationär sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wäh­ rend des Schweißvorganges die gegenüberliegenden Ultraschalleinheiten (6, 14) mit ihren Sonotroden (12, 20) stationär und die zu fügenden Materiallagen (2, 4) linear bewegbar sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wäh­ rend des Schweißvorganges sowohl die gegenüberliegenden Ultraschalleinheiten (6, 14) mit ihren Sonotroden (12, 20) wie auch die zu fügenden Materiallagen (2, 4) bewegbar sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotro­ den (12, 20) der gegenüberliegenden Ultraschalleinheiten (6, 14) rotationssymme­ trisch so ausgebildet sind, daß sie ihre Ultraschallenergie durch transversale Schwingungen in den Fügebereich der zu fügenden Materiallagen (2, 4) einleiten, und daß während des Schweißvorganges die Sonotroden (12, 20) der gegenüberlie­ genden Ultraschalleinheiten (6, 14) um ihre Symmetrieachse (S) rotieren und die zu fügenden Materiallagen (2, 4) relativ zu den Sonotroden (12, 20) linear so bewegbar sind, daß die Sonotroden (12, 20) eine gegensinnige Abrollbewegung auf den Ma­ teriallagen (2, 4) ausführen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß die gegen­ überliegenden Ultraschalleinheiten (6, 14) mit ihren Sonotroden (12, 20) gemeinsam mit den zu fügenden Materiallagen (2, 4) während des Schweißvorganges linear bewegbar sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7 für eine Schlauchbeutelmaschine, bei der die zu fügenden Materiallagen aus den Quernähten eines in Behältnisse zu unterteilen­ den schlauchförmigen Gebildes bestehen, gekennzeichnet durch eine Fördereinrich­ tung (28, 30), welche die gegenüberliegenden Ultraschalleinheiten (6, 14) vor Be­ ginn des Schweißvorganges aus einer Ausgangsstellung aufeinander zu bewegt, um ihre Sonotroden (12, 20) in Anlage mit den Quernähten (2', 4') zu bringen, welche die gegenüberliegenden Ultraschalleinheiten (6, 14) während des Schweißvorganges gemeinsam mit dem schlauchförmigen Gebilde (24) linear weiterbewegt, welche die gegenüberliegenden Ultraschalleinheiten (6, 14) nach Beendigung des Schweißvor­ ganges voneinander weg bewegt, um ihre Sonotroden (12, 20) außer Eingriff mit den Quernähten (2', 4') zu bringen, und welche die beiden gegenüberliegenden Ul­ traschalleinheiten (6, 14) anschließend in ihre Ausgangsstellung zurückbewegt.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwei oder mehr Paare von gegenüberliegenden Ultraschalleinheiten (6, 14; 6', 14') vorgesehen sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, da die beiden gegenüberliegenden Ultraschalleinheiten (6, 14) an zwei Generatoren angeschlossen sind, die unabhängig voneinander steuerbar sind.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden gegenüberliegenden Ultraschalleinheiten (6, 14) an einem gemein­ samen Generator angeschlossen sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator oder die Generatoren digital ausgebildet sind.
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