DE202005016252U1 - Rotationssonotrode für das kontinuierliche Verschweißen von Kunststoffen mittels Ultraschallschwingungen - Google Patents

Abstract

Vorrichtung, die für das Verschweißen oder Schweißschneiden von thermoplastischen Kunststoffgeweben, -folien und -gurten bestimmt ist, aufweisend:
– ein auf einer Achse (1-2) angeordneter Flachzylinder (1-1), der mit einem vorzugsweise radial angeordneten Kranz von Ausbrüchen versehen ist (1-4),
– Ausbrüche (1-4), die vorzugsweise die Form von Bohrungen, Ellipsen oder Nuten haben

Description

• Die Erfindung betrifft eine Schweißvorrichtung für das Verschweißen oder Trennschweißen von Folien und Geweben aus Kunststoff mittels Ultraschall, welche in eine rotierende Bewegung versetzt wird und derart ausgestaltet ist, dass an der Schweißfläche, also der Kontaktfläche zum zu verschweißenden Material, eine gleichmäßige und hohe Schwingungsamplitude ohne unerwünschte und den Prozess störende weitere Schwingungsformen wie Querschwingungen erreicht wird.
• Schweißvorrichtungen und -werkzeuge, die in hochfrequente Schwingungen versetzt werden, werden im allgemeinen Sprachgebrauch Sonotroden genannt. Sonotroden dienen dazu, mittels verschiedener vorgeschalteter Bauteile wie einem Generator, einem Konverter oder auch Schallwandler und einem Booster oder auch Verstärkungsstück, hochfrequente elektromagnetische Schwingungen auf miteinander zu verbindende Medien, vorzugsweise thermoplastische Kunststoffe, zu übertragen. Mit diesem Verfahren lassen sich vorzugsweise Kunststoffe dauerhaft miteinander verbinden, trennen, punktschweißen oder vernieten.
• Sonotroden können darüber hinaus für eine Vielzahl weiterer Anwendungen eingesetzt werden.
• Sonotroden sind seit vielen Jahren hinlänglich bekannt. Sie werden in den verschiedensten geometrischen Ausführungen gebaut. Die entscheidenden Einflüsse auf die Bauform haben die Anforderungen des Schweißgutes und die vom Generator bereitgestellte und vom Schallwandler in mechanische Schwingungen umgewandelte Frequenz.
• Auch eine Bauform, in der die Sonotrode wie ein Rad auf einer Achse ausgeführt ist und in eine Drehbewegung versetzt werden kann, ist bekannt. Diese wird allgemein als Rotationssonotrode oder Rotorsonotrode bezeichnet.
• Rotationssonotroden werden also mittels eines Antriebes in eine rotierende Bewegung versetzt. Gleichzeitig werden sie mit Ultraschall beaufschlagt und damit in eine hochfrequente Schwingung versetzt. Nun kann das Schweißgut wie Folien oder Gewebe oder vergleichbares zwischen Sonotrode und einem für den erforderlichen Gegendruck sorgenden mechanischen Gegenlager durchgeführt und verschweißt oder getrennt werden.
• Allen Rotationssonotroden ist eigen, dass sie von der äußeren geometrischen Form her wie ein Flachzylinder aussehen, der auf einer Achse positioniert ist. An der einen Seite der Achse werden Rotationssonotroden gelagert, an der anderen Achsenseite befindet sich, zusätzlich zu Lagerelementen, die Ankoppelfläche zum Schallwandler.
• Der Schallwandler oder auch Konverter wandelt hochfrequente elektromagnetische Schwingungen mittels üblicherweise piezokeramischer Bauteile in hochfrequente mechanische Schwingungen um. Diese werden in die Sonotrode weitergeleitet und führen zu einer pulsierenden Schwingung am Mantel des Flachzylinders. Mit pulsierend ist gemeint, dass sich die Schallwellen gleichförmig vom geometrischen Mittelpunkt der Scheibe ausbreiten und zu einer Schwingung an der Mantelfläche führen.
• Die bislang beschriebenen und bekannten Rotationssonotroden haben jedoch den Nachteil verschiedener und sich teilweise überlagernder Schwingungsformen. So sind neben pulsierenden Schwingung auch Querschwingungen feststellbar, die unerwünscht sind und die zu schlechten oder nicht akzeptablen Schweißergebnissen führen. Auch führen falsche Schwingungsformen und hierbei insbesondere Querschwingungen zu einer übermäßigen Materialermüdung der Sonotrode und damit zu einer verkürzten Lebensdauer. Ein weiterer Nachteil ist, dass bei den bislang beschriebenen Bauformen die sich gegenseitig beeinflussenden oder störenden Schwingungsformen zu unterschiedlich weiten Amplituden oder Schwingweiten an der Mantelfläche führen.
• Die beschriebenen Sonotroden spiegeln den aktuellen Stand der Technik wider. Einige Nachteile in den Detailausführungen fallen dabei auf: Die bislang bekannten Sonotroden verfügen zwar auch über eine pulsierende Schwingungsform mit einer Amplitude an der Mantelfläche, also an der Außenfläche des Flachzylinders oder auch an der Arbeitsfläche. Darüber hinaus jedoch sind weitere Schwingungsformen wie Querschwingungen nachweisbar, die sich in ganz erheblichem Umfang auf das Schwingverhalten der Sonotrode auswirken. Die bekannten Sonotroden verfügen damit nicht über eine einzige, eindeutig gerichtete und gleichmäßig pulsierende Schwingungsform, die sich am Zylindermantel als linear vom Mittelpunkt des Zylinders ausgehende Schwingung mit gleicher oder zumindest weitgehend gleicher Amplitude oder Schwingweite darstellen lässt. Es sind eben vielmehr eine Reihe von verschiedenen Schwingungsformen nachweisbar, insbesondere Querschwingungen, die eine ordnungsgemäße Verschweißung erheblich verschlechtern oder bei besonderen Folien gar unmöglich machen.
• Aufgrund der verschiedenen, sich überlagernden und beeinflussenden Schwingungsformen kann des Weiteren festgestellt werden, dass die bislang bekannten Rotationssonotroden nicht über eine gleichmäßige Amplitude verfügen. Die Amplituden oder Schwingweiten am Mantel oder an der Arbeitsfläche sind im Gegenteil unterschiedlich groß. Daraus folgt, dass eine grundsätzlich andere oder zumindest deutlich modifizierte Bauform einer Rotationssonotrode erforderlich ist, die keine unerwünschten Schwingungsformen hat und die zu einer gleichmäßigen Amplitude an der Arbeitsfläche führt.
• Es stellt sich demnach die Aufgabe, ein Sonotrodenbauform anzugeben, mit der die Nachteile einer nicht eindeutig gerichteten Schwingungsform vermieden werden, die stabil baut und in rotierende Bewegung versetzt werden kann, die wirtschaftlich hergestellt werden kann und die eine lange Lebensdauer hat, und bei der schließlich die Amplitude oder Schwingweite an der Mantel- oder Arbeitsfläche gleich oder zumindest so weit wie möglich gleich ist.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Sonotrodenbauform erreicht, in der folgende Funktionselemente enthalten sind:
• 1 ein vorzugsweise aus einem Stück gefertigter Sonotrodenkörper
• 2 eine flache Zylinderscheibe mit einer Achse durch ihren Mittelpunkt
• 3 eine Mantelfläche des Flachzylinders, die als Schweißfläche ausgebildet ist
• 4 eine Grundfläche des Flachzylinders, die mit Ausbrüchen versehen ist
• 5 radial um den Mittelpunkt der Zylindergrundfläche angeordnete Ausbrüche wie Bohrungen oder ovale, elliptische oder längliche Nuten
• Die Sonotrode kann je nach Einsatz und Funktion grundsätzlich aus allen geeigneten Materialien gefertigt sein. Unter den Gesichtspunkten Beanspruchung, Haltbarkeit, Fertigung und Verschleiß ist es jedoch sinnvoll, die Sonotrode aus Titan, Stahl oder Aluminium zu fertigen.
• In der beschriebenen Vorrichtung werden folgende Vorteile erreicht:
• – die Sonotrode kann in eine rotierende Bewegung versetzt werden
• – die Ausbreitung der Schwingungswellen ist gerichtet und gleichmäßig über den Zylindermantel verteilt
• – die Amplitude ist an allen Stellen des Zylindermantels weitgehend gleich
• – Querschwingungen werden vermieden
• – die Lebensdauer der Sonotrode ist hoch
• – die Schweißergebnisse sind gut
• Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der Zeichnung näher hervor. Sie zeigt:
• 1 Übersicht Rotationssonotrode
• In 1 sind die wichtigsten Konstruktionselemente der Rotationssonotrode dargestellt:
  Der Sonotrodenkörper ist aus einem Stück hergestellt und besteht aus einem Flachzylinder 1-1 und einer dazu rechtwinklig angeordneten und durch den Mittelpunkt des Flachzylinders führenden Achse 1-2. Der Mantel des Flachzylinders ist die Schweißfläche 1-3.
• In die Grundfläche des Zylinders 1-1 sind Ausbrüche 1-4 eingebracht. Diese Ausbrüche 1-4 sind kreisförmig angeordnet.
• An beiden Seiten der Sonotrodenachse 1-2 sind Lagerflächen 1-5 für die Lagerung der Rotationssonotrode vorgesehen sowie Spannflächen 1-6 für das Ankoppeln an weitere Bauelemente.

1-1

Flachzylinder

1-2

Achse

1-3

Schweißfläche (Mantel)

1-4

Ausbrüche

1-5

Lagerflächen

1-6

Spannflächen

Claims (1)

1. Vorrichtung, die für das Verschweißen oder Schweißschneiden von thermoplastischen Kunststoffgeweben, -folien und -gurten bestimmt ist, aufweisend: – ein auf einer Achse (1-2) angeordneter Flachzylinder (1-1), der mit einem vorzugsweise radial angeordneten Kranz von Ausbrüchen versehen ist (1-4), – Ausbrüche (1-4), die vorzugsweise die Form von Bohrungen, Ellipsen oder Nuten haben