DE20021157U1 - Vorrichtung zum Bearbeiten einer Materialbahn mit Ultraschall - Google Patents

Vorrichtung zum Bearbeiten einer Materialbahn mit Ultraschall

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DE20021157U1 DE20021157U DE20021157U DE20021157U1 DE 20021157 U1 DE20021157 U1 DE 20021157U1 DE 20021157 U DE20021157 U DE 20021157U DE 20021157 U DE20021157 U DE 20021157U DE 20021157 U1 DE20021157 U1 DE 20021157U1
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Description

Vorrichtung zum Bearbeiten einer Materialbahn mit Ultraschall
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 bestehenden 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 der Gegenwalze bzw. der Hüllfläche des gegebenenfalls auf diesem angebrachten Reliefs. Aus diesem Grund ist bei der bekannten Vorrichtung ein Sensor vorgesehen, der die Spalthöhe zwischen der Sonotrode und der Gegenwalze erfaßt und mit dessen Signal der Abstand geregelt wird. Die exakte und zuverlässige Erfassung der Spalthöhe ist jedoch ein schwieriges Unterfangen und bedarf einer aufwendigen Meßeinrichtung.
Die Einhaltung einer bestimmten Spalthöhe muß sehr genau erfolgen, da schon Temperaturschwankungen an der Sonotrode und die damit einhergehenden thermischen Ausdehnungen eine erhebliche Rolle spielen. Aus diesem Grund ist bei
D-4O239 DÜSSELDORF · MULVANYSTRASSE 2
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 Verlagerungen.
Aus der DE 198 03 538 A1 ist eine weitere Vorrichtung zum Bearbeiten einer Materialbahn mit Ultraschall bekannt, bei der sich die Sonotrode im Sinne einer Veränderung des Bearbeitungsspaltes zwar positionsvariabel, jedoch in der jeweiligen Position starr über ein Kniegelenk am Maschinengestell abstützt. Der Positionsveränderung der Sonotrode dient ein Spindelantrieb, der derart mit dem Kniegelenk verbunden ist, daß bei einer Betätigungs des Antriebs - je nach Betätigungsrichtung das Kniegelenk stark angewinkelt oder stärker gestreckt und somit der zwischen der Walzenoberfläche und der Sonotrode gebildete Bearbeitungsspalt vergrößert oder verkleinert wird. Zwischen dem Antrieb und der Sonotrode ist ein Kraftmeßgerät eingeschaltet, dessen Signal zur Regelung'des Antriebs im Sinne der Erzielung einer konstanten Sonotrodenkraft dient.
Zwar ist die Kraftmessung, verglichen mit der Spalthöhenmessung wesentlich
einfacher und es werden gleichzeitig alle für den Beärbeitungseffekt maßgeblichen Faktoren berücksichtigt, so daß in Verbindung mit der durch die starre Abstützung der Sonotrode erzielten definierten Schweißkraft das mit der Vorrichtung erzielte Arbeitsergebnis wesentlich verbessert ist.
Es hat sich nun gezeigt, daß insbesondere mit zunehmender Schweißgeschwindigkeit die Gegenwalze - meist eine Gravurwalze - zu Rundlauffehlern neigt, die sich mit wachsender, ununterbrochener Betriebsdauer verstärken. Es versteht sich, daß hierdurch das mit der Vorrichtung erzielte Arbeitsergebnis verschlechtert wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung gemäß der DE 198 03 638 A1 derart weiter zu entwickeln, daß es nicht oder jedenfalls nicht in dem beobachteten Maße zu der Verschlechterung des Arbeitsergebnisses kommt.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 wiedergegebene Erfindung gelöst.
Erfindungsgemäß umfaßt die Vorrichtung eine Einrichtung zur Aufnahme von Kraftspitzen, die von der Sonotrode über die starre Abstützung auf das Maschinengestell übertragen werden. Überraschenderweise HaJ ach gezeigt, daß durch diese :··.:··· .··.."..". ·"· ·· ·· :.. .· : . :
Maßnahme die mit der gattungsgemäßen Vorrichtung erzielten, oben beschriebenen .. . Vorteile erhalten werden, es gleichzeitig aber nicht mehr zu Rundlauffehlern der Gegenwalze in dem vorher beobachteten Maße kommt.
Eine mögliche Erklärung hierfür könnte darin bestehen, daß die durch einen Restrundlauffehler bzw. einer unterschiedlichen Preßfläche entstehenden, über den Walzenumfang verschiedenen Energieeinträge zu Temperaturgradienten über den Walzenumfang führen, die aufgrund der hohen Produktionsgeschwindigkeit sich nicht mehr ausgleichen können. Hierdurch dehnt sich die Walze an der Stelle des höheren Energieeintrags aus, was zu einer Reduzierung des Bearbeitungsspaltes beim Durchgang des so entstandenen "Walzenbuckels'' und bei einer im Sinne des
gattungsgemäßen Standes der Technik starren Positionierung der Sonotrode zu einer abermaligen Erhöhung des Energieeintrages an der Stelle des Walzenbuckels führt. Durch die Aufnahme der von der Sonotrode übertragenen Kraftspitzen werden nun gerade diese Energiespitzen zumindest teilweise abgeleitet, so daß die zusätzli-15. ehe Energieeinfragung an der Stelle des Walzenbuckels reduziert wird.
Die Einrichtung zur Aufnahme von Kraftspitzen umfaßt vorzugsweise ein mit
den Mitteln zur starren Abstützung der Sonotrode an dem Maschinengestell wirkver-
, bundenes, nachgiebiges Bauteil. Die Sonotrode kann dann beim Durchgang des Walzenbuckels geringfügig zurückweichen, wodurch der Energieeintrag an der Stelle
des Walzenbuckels reduziert wird. _ .
Das nachgiebige Bauteil umfaßt vorzugsweise ein Teilstück aus einem in
Wirkrichtung flexiblen Material. Dieses kann aus einem Gummi- oder einem Kunststoffwerkstoff bestehen.
Zur Einstellung der Sonotrodenkraft dient vorzugsweise ein zwischen dem Antrieb und der Sonotrode eingeschaltetes Kraftmeßglied, dessen Signal zur Regelung eines Antriebs verwendet wird, mit dessen Hilfe die Sonotrode auf die Gegenwalze zu oder von dieser fortbewegt werden kann.
Durch die Regelung der von der Sonotrode ausgeübten Kraft werden die anderen die Spalthöhe beeinflussenden Größe miterfaßt. Wird die Sonotrode heiß und verkleinert sich dadurch die Spalthöhe, so nimmt Kraft an der Sonotrode zu und muß die Sonotrode etwas von dem Gegenwerkzeug mittels des Antriebs weggezogen werden. Schwankt die Materialdicke, so äußert sich dies in Schwankungen der Kraft,
die mittels des Antriebs ausgeregeit werden können, so daß sich wieder ein gleichmäßiger Bearbeitungseffekt einstellt.
Die Kraftmessung berücksichtigt diejenige Größe, die die Folgen der anderen Einflußgrößen gewissermaßen miterfaßt. Eine derartige Regelung erfolgt mit einer Stellgröße, die unmittelbar für den Behandlungseffekt maßgeblich ist. Dabei ist die Kraftmessung, verglichen mit der Abstandsmessung, wesentlich einfacher. Gleichzeitig werden alle maßgeblichen Faktoren berücksichtigt, anders als bei der Temperaturmessung, die nur die darauf zurückzuführenden Änderungen der Spalthöhe berücksichtigen kann.
Wenn die Kraftmessung auf derjenigen Größe beruht, die unmittelbar für den Bearbeitungseffekt maßgeblich ist, so ist eine darauf beruhende Regelung nur dann optimal, wenn sie die Kraft frei von systematischen Fehlern erfassen kann.
Unter diesem Aspekt ist die Ausgestaltung nach Anspruch 6 wichtig, die dafür sorgt, daß die Erfassung der Kraft frei von Querkräften bleibt. Durch die gemeinsame Führung des Sonotrodenschlittens und des zusätzlichen Schlittens an der Geradführung erfaßt das Kraftmeßglied exakt nur diejenigen Kräfte, mit denen die Sonotrode gegen das Gegenwerkzeug angestellt wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Antriebs ist Gegenstand der Ansprüche 7 bis 9.
Wesentlich an dieser Ausgestaltung ist die zwar längenvariable, aber bei einer bestimmten Länge starre Verbindung zwischen dem Schlitten, an dem der Antrieb angreift, und dem Maschinengestell. Durch die somit erzielte starre Abstützung der Sonotrode an dem Maschinengestell ist die Vorrichtung im Vergleich beispielsweise zu einer pneumatischen Anstellung der Sonotrode weniger empfindlichen gegen Schwingungen. Die Produktionsgeschwindigkeiten sind daher durch diese Ausgestaltung des Antriebs erhöhbar.
Bei einer konstruktiv bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das nachgiebige Bauteil in den längenvariablen Krafterzeuger und/oder das Kniegelenk eingeschaltet.
Besonders bevorzugt ist es, das nachgiebige Bauteil derart auszugestalten, daß-während des Bearbeitungsprozesses die Nachgiebigkeit variiert werden kann. Dies kann beispielsweise konstruktiv dadurch erzielt werden, daß das nachgiebige Bauteil aus einem Kunststoff besteht, dessen Nachgiebigkeit von der Temperatur
abhängt und daß eine Einrichtung zur Temperaturänderung des Bauteils vorgesehen ist.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht der Vorrichtung;
Fig. 2 zeigt einen Schnitt nach der Linie H-Il in Fig. 1.
Die in Fig. 1 als Ganzes mit 100 bezeichnete Vorrichtung umfaßt eine am Maschinengestell 1 feste vertikale Geradführung in Gestalt einer Schwalbenschwanzschiene 2, an der ein erster Schlitten 3 und ein zweiter, zusätzlicher Schlitten 4 im Sinne des Pfeiles 5 verschiebbar, gelagert sind.
An dem ersten Schlitten 3 ist eine Ultraschallerzeugungseinheit 6 fest angeordnet, die auf eine Sonotrode 7 wirkt, die radial gegen eine Gegenwalze 8, die hier als Reliefwalze ausgebildet ist, gerichtet ist. Zwischen der Stirnseite T der Sonotrode 7 und dem Umfang 8' der Gegenwalze 8 wird unter Belassung einer Spalthöhe 9 eine Materialbahn 10 hindurchgeführt, die beispielsweise aus einem Vlies aus thermoplastischen Fasern bestehen kann. Durch die hochfrequenten Kompressionen, die das Material zwischen den Scheiteln des Reliefs der Gegenwalze 8 und der Stirnseite T der Sonotrode erfährt, kommt es zu lokalen Temperaturerhöhungen bis zur Erweichung der thermoplastischen Fasern. Wenn es nur um eine Verfestigung eines Vlieses geht, muß die Erwärmung so dosiert werden, daß gerade ein Zusammenschmelzen 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 Verfahren auch gelocht oder geschnitten werden. Der Energieeintrag, dem eine bestimmte Stelle der Materiaibahn für die kurze Zeit des Passierens des Spalts 11 zwischen der Sonotrode 7 und der Gegenwalze 8 ausgesetzt ist, ist also für den Bearbeitungseffekt durchaus kritisch. Dieser Energieeintrag hängt von. der in dem Spalt 11 herrschenden Kraft ab. Es ist plausibel, daß sich die Wirkungen der Ultraschallschwingungen um so stärker bemerkbar machen, je fester die Materialbahn in dem Spalt 11 zusammengedrückt wird.
Zwischen dem Schlitten 4 und dem Schlitten 3 ist ein Kraftmeßglied in Gestalt einer Kraftmeßdose 20 angeordnet, welches die von einem als Ganzes mit 25 bezeichneten Antrieb ausgeübte Kraft vollständig auf den Schlitten 3 überträgt und so-
mit ein Signal abgibt, welches bis auf geringe Reibungsverluste an der Schwalbenschwanzschiene 2 die in dem Spalt 11 gegen die Gegenwalze 8 wirkende Kraft präsentiert.
Der als Ganzes mit 25 bezeichnete Antrieb umfaßt einen ,Schrittmotor 12, der am Maschinengestell 1 abgestützt ist und ein Gewindestück 13 verdreht, welches über eine Gewindespindel 14 auf ein als Ganzes mit 15 bezeichnetes Kniegelenk wirkt, dessen unterer Schenkel 16 an dem zweiten Schlitten 4 und dessen oberer Schenkel 17 am Maschinengestell 1 gelagert sind. Die Anordnung aus Antrieb 25 und Kniegelenk 15 bilden Mittel 31, über die sich die Sonotrode 7 starr an dem Maschinengestell 1 abstützt. Der Schlitten 4 hält durch dieiSchrägsteJlung des Schenkels 16 sich ergebende seitliche Kraftkomponente von der Kraftmeßdose 20 fern.
Die Kraftmeßdose 20 kann auch an einer anderen Stelle der Kraftübertragung zwischen dem Antrieb 25 und dem Spalt 11 angeordnet werden, z.B. zwischen der Ultraschallerzeugungseinheit 6 und der Sonotrode 7 oder im Bereich des Kniegelenks 15, was aber wegen der Querkräfte besondere konstruktive oder schaltungsmäßige Zusatzmaßnahmen erfordert, um zu einem möglichst fehlerfrei die Kraft im Spalt 11 repräsentierenden Signal zu kommen. Entsprechendes gilt, wenn die Anstellung der Sonotrode 7 gegen die Gegenwalze 8 nicht mitten eines Kniegelenks 15, sondern mitten einer anderen Einrichtung erfolgt.
Das Signal der Kraftmeßdose 20 wird über die Leitung 21 einer Steuer- und Regeleinheit 30 zugeführt, die über eine Leitung 22 den Schrittmotor 12 steuert. Die Steuerung erfolgt so, daß die Kraft F5 in dem Spalt 11 konstant gehalten wird. Dadurch bleibt auch der Bearbeitungseffekt konstant, unabhängig davon, ob die Materialbahn 10 Dickenschwankungen aufweist, die Sonotrode 7 thermischen Dehnungen unterliegt oder die Walze 8 sich durchbiegt.
•Um kurzzeitige, von der Sonotrode 7 auf das Maschinengestell 1 über die Mittel 31 in das Maschinengestell 1 eingeleitete Kraftspitzen, die eine negative Auswirkung des mit der Vorrichtung 100 erzielten Bearbeitungsergebnis haben können, abzuleiten, ist zwischen dem Schlitten 4 und dem unteren Schenkel 16 eine Einrichtung 35 zur Aufnahme von Kraftspitzen vorgesehen, die als nachgiebiges Bauteil 36 ausgebildet ist. Wenn hier von "Nachgiebigkeit" die Rede ist, so sei hiermit zum Ausdruck gebracht, daß es das Bauteil der Sonotrode ermöglichen soll, im Sinne de
Pfeiles 5 geringfügig beim Auftreten einer Kraftspitze gemäß Fig. 1 nach oben auszuweichen.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das Bauteil 36 aus einem Kunststoff, dessen Nachgiebigkeit temperaturabhängig ist. Zur Anpassung der Nachgiebigkeit ist eine ein Peltier-Element umfassende Temperaturregeleinrichtung 37 vorgesehen, die entsprechend der Vorgaben über eine Leitung 21A von der Steuer- und Regeleinheit 30 mit elektrischer Spannung beaufschlagt wird.

Claims (12)

1. Vorrichtung zum Bearbeiten einer kontinuierlich vorlaufenden Materialbahn (10),
mit einer eine Sonotrode (7) aufweisenden Ultraschallerzeugungseinheit (6),
mit einer der Sonotrode (7) gegenüberliegenden Gegenwalze (8),
mit Mitteln zum Hindurchführen der Materialbahn (10) durch den Spalt (11) zwischen der Sonotrode (7) und der Gegenwalze (8),
mit einem Maschinengestell (1), das die Sonotrode (7) und die Gegenwalze (8) trägt,
mit einem Antrieb (25) zum Anstellen der Sonotrode (7) gegen die Gegenwalze (8)
und mit Mitteln (31), über die sich die Sonotrode (7) in ihrer jeweiligen Position starr an dem Maschinengestell (1) abstützt,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Einrichtung (35) zur Aufnahme von Kraftspitzen vorgesehen ist, die von der Sonotrode übertragen werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (35) zur Aufnahme von Kraftspitzen eine mit den Mitteln (31) zur starren Abstützung der Sonotrode (7) an dem Maschinengestell (1) wirkverbundenes, nachgiebiges Bauteil (36) umfassen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das nachgiebige Bauteil (36) ein Teilstück aus einem in Wirkrichtung flexiblen Material umfaßt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Teilstück aus einem Gummi- oder Kunststoffwerkstoff besteht.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Antrieb (25) und die Sonotrode (7) ein Kraftmeßglied (20) eingeschaltet ist, dessen Signal zur Regelung des Antriebs (25) im Sinne der Erzielung einer konstanten Sonotrodenkraft (Fs) dient.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode (7) mit der Ultraschallerzeugungseinheit (6) an einem gemeinsamen Schlitten (3) an einer gegen das Gegenwerkzeug (8) gerichteten Geradführung (2) verschiebbar ist, daß an der Geradführung (2) auf der Seite des Angriffs des Antriebs (25) ein zusätzlicher Schlitten (4) verschiebbar und daß das Kraftmeßglied (20) zwischen den beiden Schlitten (3, 4) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Geradführung (2) an einem Maschinengestell (1) angeordnet ist und der Antrieb (25) ein mechanisches längenvariables Stellglied umfaßt, welches einerseits an dem Schlitten (4), andererseits an dem Maschinengestell (1) angreift.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das längenvariable Stellglied ein zwei Schenkel (16, 17) aufweisendes Kniegelenk (15) umfaßt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (25) einen längenvariablen Krafterzeuger umfaßt, der einerseits an dem Maschinengestell (1), andererseits an dem Kniegelenk (15) angreift.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das nachgiebige Bauteil (36) in den längenvariablen Krafterzeuger und/oder das Kniegelenk (15) eingeschaltet ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (36) derart ausgebildet ist, daß dessen Nachgiebigkeit variiert werden kann.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (36) aus einem Kunststoff besteht, dessen Nachgiebigkeit temperaturabhängig ist und daß eine Einrichtung zur Änderung der Temperatur des Bauteils (36) vorgesehen ist.
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