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Die Erfindung betrifft eine Sonotrode
zur Übertragung
einer mechanischen Ultraschallschwingung nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
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Gattungsgemäße Sonotroden werden in der Fertigungstechnik
an geeigneten Werkzeugmaschinen, beispielsweise Ultraschallschweißgeräten, eingesetzt,
um eine mechanische Ultraschallschwingung, die zuvor in einem Konverter
durch Umwandlung elektrischer Energie erzeugt wurde, in ein Werkstück zu übertragen.
Im Ergebnis ist es deshalb erforderlich, dass die Sonotrode die
Ultraschallschwingung an einer Eingangskontaktfläche aufnimmt, anschließend die
Ultraschallschwingung durch die Sonotrode hindurchgeleitet wird
und zuletzt die Schwingungsenergie an einer Ausgangskontaktfläche an das
Werkstück
abgebeben wird. Durch diese mechanische Schwingungsenergie können geeignete Werkstoffe,
insbesondere thermoplastische Kunststoffe, geschweißt, getrennt
oder in anderer Weise bearbeitet werden.
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Bei den bekannten Sonotroden wird
die Ultraschallschwingung als Longitudinalwelle von der Eingangskontaktfläche zur
Ausgangskontaktfläche durch
die Sonotrode durchgeleitet. Das bedeutet mit anderen Worten, dass
die Sonotrode in Richtung ihrer Längsachse schwingt, wobei das
Material der Sonotrode in Richtung der Längsachse entsprechend der Wellenlänge der
verwendeten Ultraschallschwingung verdichtet bzw. gestreckt wird.
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Nachteilig an den bekannten Sonotroden
ist es, dass eine Umlenkung der Wirkrichtung der Ultraschallschwingung
im Wesentlichen nicht möglich
ist.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik
ist es deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue Sonotrode
vorzuschlagen, die eine Umlenkung der Wirkrichtung der Ultraschallschwingung
erlaubt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Sonotrode nach
der Lehre des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken,
dass sich bei Durchleitung einer Longitudinalwelle durch einen Festkörper längs dessen
Längsachse
der Umfang des Festkörpers
wellenförmig
verformt. Die Frequenz und Wellenlänge dieser sinusförmigen Verformung
der Umfangsfläche
in Richtung der Längsachse
kann dazu benutzt werden, einen anderen Festkörper, der mit der Umfangsfläche in Kontakt
steht, mit der entsprechenden Ultraschallschwingung zu erregen.
Im Ergebnis ist es durch diese Kombination zweier schwingender Festkörper möglich, die
in den ersten Festkörper
eingeleitete Ultraschallschwingung in eine gewünschte Richtung, die der Längsachse
des zweiten Festkörpers
entspricht, umzulenken.
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An der erfindungsgemäßen Sonotrode
ist deshalb ein Querschwinger vorgesehen, bei dem zumindest eine
Stirnseite von einer geeigneten Schwingungsquelle mit einer Ultraschallschwingung
in Richtung seiner Längsachse
erregt werden kann. Der Begriff Stirnseite soll dabei die Enden
eines Festkörpers bezeichnen
und ist erfindungsgemäß auf keinerlei bestimmte
geometrische Form beschränkt.
Durch die Schwingungserregung schwingt der Querschwinger, wobei
sich die Schwingung entsprechend der Materialeigenschaften mit einer
bestimmten Wellenlänge
in Richtung der Längsachse
des Querschwingers ausbreitet. Unter dem Einfluss dieser Schwingungserregung
verformt sich auch die Umfangsfläche
des Querschwingers, wobei die Verformung bei einer harmonischen
Verformung entsprechend einer Sinuswelle verläuft.
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Am Umfang des Querschwingers ist
erfindungsgemäß zumindest
ein Längsschwinger
angeordnet, dessen Stirnseite mit dem Umfang des Querschwingers
in Kontakt steht und mit der Ultraschallschwingung quer zur Längsachse
des Querschwingers erregt wird. Der Kontakt der Stirnseite des Längsschwingers
mit dem Querschwinger kann beispielsweise durch stoffschlüssige Verbindung,
durch einstöckige
Herstellung, durch Einsatz einer Klebeverbindung oder durch Einsatz
lösbarer
Befestigungsmittel realisiert werden. Durch den Kontakt der Stirnseite
des Längsschwingers
mit dem Umfang des Querschwingers wird die von der Ultraschallschwingung
erzeugte Verformung der Umfangsfläche des Querschwingers auf
den Längsschwinger übertragen.
Vereinfacht ausgedrückt
wird der Längsschwinger
entsprechend der Schwingungsamplitude der Umfangsfläche zyklisch
angehoben bzw. abgesenkt und schwingt somit mit seiner Längsachse
quer zur Längsachse
des Querschwingers. Die gegenüberliegende
Stirnseite des Längsschwingers,
d. h. also das freie Ende des Längsschwingers
dient als Ausgangskontaktfläche
und kommt an einem Werkstück
zur Anlage, wodurch die sich im Längsschwinger fortsetzende Ultraschallschwingung
auf das Werkstück übertragen
wird.
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Grundsätzlich ist es denkbar, dass
der Querschwinger mit beliebigen Ultraschallschwingungen erregt
wird, da die Umfangsfläche
des Querschwingers auch bei Verwendung beispielsweise einer Biegeschwingung
harmonisch zur Schwingung gebracht werden kann. Besonders geeignet zur
schwingenden Erregung des Querschwingers sind jedoch longitudinale
Ultraschallschwingungen, die an zumindest einer Stirnseite des Querschwingers
eingeleitet werden. Diese longitudinalen Ultraschallschwingungen setzen
sich als Zug-Druckzonen im Querschwinger fort, so dass die Deformation
der Umfangsfläche
im äquidistanten
Abstand zu der erregten Stirnfläche
jeweils gleich ist.
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Eine besonders effektive Schwingungserregung
des Querschwingers wird durch Erregung der Sonotroden an beiden
Stirnseiten mit jeweils einer Schwingungsquelle erreicht. Durch
diese Art der beidseitigen Erregung ist es zudem möglich, dass
die Schwingungsamplitude der Umfangsfläche des Querschwingers entlang
der gesamten Längsachse des
Querschwingers gleich bleibt und nicht, wie bei nur einseitiger
Erregung, mit zunehmendem Abstand zur erregten Stirnseite abnimmt.
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Vorzugsweise sollten die beiden Schwingungsquellen
zur Erregung des Querschwingers phasensynchron angesteuert werden.
Dadurch kann eine stehende Welle bei Einstellung der geeigneten Erregungsfrequenz
erzeugt werden.
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In welcher geometrischen Gestaltung
die Längsschwinger
auf der Umfangsfläche
des Querschwingers angeordnet sind, ist grundsätzlich beliebig. Die größte Ausnutzung
der Schwingungsamplitude an der Umfangsfläche des Querschwingers wird jedoch
erreicht, wenn die Längsachse
des Längsschwingers
die Längsachse
des Querschwingers in radialer Richtung schneidet. Das bedeutet
mit anderen Worten, dass der Längsschwinger
sich radial nach außen
erstreckt, so dass die Längsachse
des Längsschwingers
parallel zur Schwingungsamplitude der Umfangsfläche des Querschwingers verläuft.
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Um den gewünschten Effekt der Umlenkung der
mechanischen Ultraschallschwingung zu erreichen, ist es im Prinzip
ausreichend, wenn am Querschwinger lediglich ein Längsschwinger
vorgesehen ist. Sind am Umfang des Querschwingers mehrere Längsschwinger
angeordnet, so kann dadurch die Effektivität der Sonotrode bei verschiedenen
Anwendungsfällen
erheblich gesteigert werden. Denn zur Schwingungserregung dieser
Sonotrode sind eine bzw. zwei Schwingungsquellen, die den Querschwinger
in Schwingung versetzen, ausreichend. Die Schwingungsbewegung des
Querschwingers ermöglicht
es, die Ultraschallschwingung ohne weiteres auf eine Vielzahl von
weiteren Längsschwingern
zu übertragen.
Im Ergebnis kann damit erreicht werden, dass mit nur einer bzw.
zwei Schwingungsquellen eine Vielzahl von Ultraschallwerkzeugen,
nämlich
die Längsschwinger,
schwingend erregt werden.
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Bei Anordnung mehrerer Längsschwinger auf
der Umfangsfläche
des Querschwingers ist die geometrische Verteilung der verschiedenen
Längsschwinger
grundsätzlich
beliebig. Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind mehrere Längsschwinger
mit jeweils gleichem Abstand zur Stirnseite des Querschwingers über den
Umfang des Querschwingers verteilt angeordnet und bilden dadurch
eine so genannte Längsschwingergruppe.
Die Längsschwinger
einer Längsschwingergruppe
bilden somit einen Ring um den Umfang des Querschwingers, wobei
die Ringebene rechtwinklig zur Längsachse
des Querschwingers verläuft.
Wird der Querschwinger mit einer Longitudinalschwingung erregt,
bedeutet dies für die
Längsschwinger
einer Längsschwingergruppe, dass
all Längsschwinger
mit jeweils der gleichen Amplitude gemeinsam schwingen.
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Die Längsschwinger einer Längsschwingergruppe
sollten dabei vorzugsweise gleichmäßig mit gleichem Zwischenwinkel über den
Umfang des Querschwingers verteilt sein, damit die Schwingungsenergie
gleichmäßig auf
die Längsschwinger einer
Längsschwingergruppe
verteilt wird.
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Sind an einem Querschwinger mehrere Längsschwingergruppen
mit jeweils mehreren über den
Umfang verteilten Längsschwingern
vorgesehen, so gibt es für
die Anordnung der Längsschwingergruppe
relativ zueinander verschiedene Möglichkeiten. Nach einer ersten
Ausführungsform
fluchten die Längsschwinger
jeweils benachbarter Längsschwinger gruppen
in Richtung der Längsachse
des Querschwingers miteinander. Insbesondere können die Längsschwinger aller Längsschwingergruppen miteinander
fluchten, was mit anderen Worten bedeutet, dass die verschiedenen
Längsschwinger
einer Längsschwingergruppe
jeweils auf einer Linie des Umfangs des Querschwingers liegen, wobei
diese Linie parallel zur Längsachse
des Querschwingers verläuft.
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Alternativ dazu können die Längsschwinger benachbarter Längsschwingergruppen
auch in Richtung der Längsachse
des Querschwingers gegeneinander versetzt sein, damit eine möglichst
gleichmäßige Verteilung
der Schwingungsenergie durch die Längsschwinger ermöglicht wird.
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Bei Erregung des Querschwingers mit
Ultraschallschwingung breitet sich diese Schwingung in Abhängigkeit
der Materialeigenschaften und der Geometrie des Querschwingers mit
einer bestimmten Wellenlänge
(λ) im Querschwinger
aus. Die Länge des
Querschwingers sollte in Abhängigkeit
dieser Wellenlänge
(λ) bestimmt
werden. Besonders geeignet sind Querschwinger mit einer Länge, die
nach der Formel (2 * X +1) *λ /
2 bestimmt ist. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass die Länge des
Querschwingers dem 1,5-fachen, 2,5-fachen, 3,5-fachen usw. der Wellenlänge (λ) entsprechen.
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Bei der Verteilung der Längsschwinger
bzw. Längsschwingergruppen
entlang der Längsachse des
Querschwingers sollte ein erster Längsschwinger oder eine Längsschwingergruppe
genau in der Mitte zwischen den beiden Stirnseiten des Querschwingers
angeordnet werden. Denn in der Mitte des Querschwingers bildet sich
bei geeigneter Schwingungserregung mit einer Longitudinalwelle ein
Amplitudenmaximum bei der Schwingung der Umfangsfläche des
Querschwingers aus.
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Soweit an dem Querschwinger in der
ersten Längsschwingergruppe
weitere Längsschwinger bzw.
Längsschwingergruppen
entlang der Längsachse
des Querschwingers vorgesehen werden, sollte deren Abstand zum ersten
Längsschwinger
bzw. zur ersten Längsschwingergruppe gemäß der Formel
Y * λ /
2 aus der Wellenlänge
der verwendeten Ultraschallschwingung im Querschwinger bestimmt
werden, wobei Y eine ganze Zahl größer oder gleich 1 ist. Durch
diesen Abstand der zusätzlichen
Längsschwinger
bzw. Längsschwingergruppen
zum ersten Längsschwinger
bzw. ersten Längsschwingergruppe ist
gewährleistet,
dass die zusätzlichen
Längsschwinger
bzw. Längsschwingergruppen
jeweils an einem Amplitudenmaximum angeordnet sind.
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Um eine gleichmäßige Ausbreitung der Schwingungsenergie
im Querschwinger zu gewährleisten,
sollte der Querschwinger vorzugsweise in Richtung seiner Längsachse
einen konstanten Querschnitt aufweisen.
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Weiterhin ist es besonders vorteilhaft,
wenn der Querschwinger einen in Richtung seiner Längsachse
kreisrunden oder prismatischen Querschnitt aufweist. Ein kreisrunder
Querschnitt des Querschwingers ermöglicht eine besonders gleichmäßige Verteilung
der Schwingungsenergie über
den Umfang des Querschwingers. Ein prismatischer Querschnitt des
Querschwingers erleichtert die Befestigung der Längsschwinger am Querschwinger,
da die ebenen Umfangsflächen
des prismatischen Querschwingers in einfacher Weise zum vollflächigen Kontakt
zur Stirnseite der Längsschwinger
geeignet sind.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform verjüngt sich
der Querschnitt des Längsschwinger
in Richtung in ihrer Längsachse
ausgehend von der am Querschwinger anliegenden Stirnseite zu der
am Werkstück
anliegenden Stirnseite. Durch diese Verjüngung der Längsschwinger kann die Schwingungsamplitude
zu der am Werkstück
anliegenden Stirnseite hin erhöht
werden, was bei vielen Anwendungsfällen, beispielsweise beim Verschweißen von
aus Olefinen hergestellten Thermoplasten (Polypropylen, Polyäthylen)
wünschenswert
ist.
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Besonders geeignet ist die erfindungsgemäße Sonotrode
dann, wenn in sehr kurzer Zeit eine Vielzahl von Wirkzonen am Werkstück bearbeitet werden
sollen. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Sonotrode
um die Längsachse
des Querschwingers drehbar gelagert ist. Ob die Sonotrode dabei
selbst unmittelbar drehbar gelagert wird oder zur mittelbaren Lagerung
weitere Bauteile verwendet werden, ist dabei irrelevant. Die drehbare Lagerung
der Sonotrode ermöglicht
es, dass die Sonotrode in einer Rotationsbewegung auf dem Werkstück abwälzt, wobei
die freien Stirnseiten der Längsschwinger
während
dieser Abwälzbewegung
jeweils kurzzeitig mit dem Werkstück in Kontakt kommen. Während dieser
Kontaktzeit wird die aus dem Querschwinger in die Längsschwinger übertragene
Ultraschallschwingung kurzzeitig in das Werkstück eingeleitet und dadurch
beispielsweise ein entsprechender Verbindungspunkt hergestellt.
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Grundsätzlich ist es zum rotatorischen
Antrieb der Sonotrode ausreichend, wenn diese passiv durch die in
den Kontaktflächen
zwischen Längsschwingern
und Werkstück übertragenen
Reibkräfte angetrieben
wird. Eine exaktere Zuordnung zwischen den Längsschwingern und dem Werkstück kann
jedoch dadurch erreicht werden, dass die Sonotrode mit einer Antriebseinrichtung
um die Längsachse
des Querschwingers drehend rotatorisch antreibbar ist. Als Antriebseinrichtung
können
dabei beispielweise Elektromotoren eingesetzt werden, deren Antriebswelle
mit dem Querschwinger der Sonotrode gekoppelt sind.
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Derart drehbar gelagerte Sonotroden
sind besonders dazu geeignet, bahnförmige Werkstücke zu bearbeiten.
Die Sonotrode wird dazu in der entsprechenden Bearbeitungsmaschine
oberhalb des Förderwegs
des bahnförmigen
Werkstücks
angeordnet, so dass die freien Enden der Längsschwinger bei rotierendem
Querschwinger auf dem bahnförmigen Werkstück abwälzen können. Insbesondere
zur Verarbeitung von mehrlagigen Werkstücken, beispielsweise einer
Bahn aus mehreren Lagen eines Vliesmaterials, kann die erfindungsgemäße Sonotrode eingesetzt
werden. Bei Kontakt des freien Endes der Längsschwinger mit der obersten
Lage des mehrlagigen Werkstücks
wird die Ultraschallschwingung derart übertragen, dass entsprechend
dem Querschnitt des Längsschwingers
ein Befestigungspunkt erzeugbar ist. Im Ergebnis lassen sich also
mehrlagige bahnförmige
Werkstücke
durch Einsatz der erfindungsgemäßen Sonotroden
außerordentlich
effektiv und kostengünstig
aufeinander fixieren.
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Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung
sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden nachfolgend
näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine
erste Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Sonotrode
in perspektivischer Ansicht;
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2 eine
Ultraschallschweißvorrichtung unter
Verwendung einer Sonotrode gemäß 1 in perspektivischer Ansicht;
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3 den
Schwingungszustand des Querschwingers der Sonotrode gemäß 1 bei maximaler Druckbelastung;
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4 den
Querschwinger gemäß 3 im Schwingungszustand
bei maximaler Zugbelastung;
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5 eine
zweite Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Sonotrode
in perspektivischer Ansicht;
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6 eine
Ultraschallschweißvorrichtung unter
Verwendung der Sonotrode gemäß 5 in perspektivischer Ansicht.
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In 1 ist
eine erste Ausführungsform 01 einer
erfindungsgemäßen Sonotrode
perspektivisch dargestellt. Die Sonotrode 01 besteht aus
einem Querschwinger 02, der entlang seiner Längsachse 03 einen
gleichbleibenden kreisrunden Querschnitt aufweist. Am Umfang 04 des
Querschwingers 02 sind eine Vielzahl von Längsschwingern 05 vorgesehen.
Die Längsachsen 06 der
Längsschwinger 05 verlaufen
dabei sternförmig radial
zur Längsachse 03 des
Querschwingers. Insgesamt sind an der Sonotrode 01 achtzehn
Längsschwinger 05 befestigt,
wobei jeweils sechs Längsschwinger 05 eine
der drei Längsschwingergruppen 07, 08 und 09 bilden.
Die Längsschwinger 05 der
verschiedenen Längsschwingergruppen 07, 08 und 09 sind
jeweils gleichmäßig über dem
Umfang des Querschwingers 02 verteilt. Die Längsschwinger 05 jeder
einzelnen Längsschwingergruppe 07, 08 und 09 weisen
dabei einen jeweils äquidistanten
Abstand zu den beiden Stirnflächen 10 des
Querschwingers 02 auf. Alle zueinander benachbarten Längsschwinger 05 in
den verschiedenen Längsschwingergruppen 07, 08 und 09 sind
zueinander fluchtend auf einer Linie am Umfang 04 des Querschwingers 02 befestigt.
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In 2 ist
eine Ultraschweißvorrichtung 11 unter
Verwendung der Sonotrode 01 perspektivisch dargestellt.
Dabei sind in 2 nur
die Teile der Ultraschallschweißvorrichtung 11 gezeichnet,
die zum Verständnis
der Erfindung erforderlich sind. In der Ultraschallschweißvorrichtung 11 sind
zwei Schwingungsquellen 12 und 13 vorgesehen,
die in der Art von so genannten Konvertern ausgebildet sind und elektrische
Energie in mechanische Schwingungen umwandeln. Die Schwingungsquellen 12 und 13 liegen
an den Stirnseiten 10 der Sonotrode 01 an und erregen
den Querschwinger 02 auf diese Weise mit einer longitudinalen
Ultraschallschwingung. Die Schwingungserregung durch die Schwingungsquellen 12 und 13 erfolgt
dabei phasensynchron, um eine möglichst
hohe Schwingungsamplitude zu erreichen.
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Die maximalen Schwingungszustände des Querschwingers 02 bei
Erregung durch die Schwingungsquellen 12 und 13 sind
schematisch in 3 und 4 dargestellt. Der in 3 dargestellte Schwingungszustand
entspricht der maximalen Zugbelastung des Querschwingers 02.
Man erkennt, dass der Umfang 04 des Querschwingers 02 entsprechend
einer Sinuswelle verformt, wobei bei dem in 3 dargestellten Schwingungszustand genau
in der Mitte zwischen den beiden Stirnseiten 10 ein Verformungsmaximum
auftritt. Jeweils im Abstand von 0,5 λ, wobei λ der Wellenlänge der Ultraschallschwingung
im Querschwinger 02 entspricht, treten wiederum Deformationsmaxima
betragsmäßig gleicher Größe auf,
die jedoch ein umgekehrtes Vorzeichen aufweisen. Genau auf diesen
Umfangslinien der maximalen Deformation sind die drei Längsschwingergruppen 07, 08 und 09 angeordnet,
so dass die Längsschwinger 05 mit
maximaler Amplitude entlang ihrer Längsachse schwingen.
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In 4 ist
der Querschwinger 02 im Schwingungszustand bei maximaler
Zugbelastung dargestellt. Man erkennt, dass die maximalen Deformationen
der Umfangsfläche 04 wiederum
genau in der Mitte zwischen den Stirnflächen 10 bzw. im Abstand λ / 2 von
der Mitte auftreten. Um die in 3 und 4 dargestellten Schwingungszustände des Querschwingers 02 realisieren
zu können,
muss der Querschwinger eine Länge
von 1,5 λ aufweisen.
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Mittels in 2 nicht dargestellter Antriebsmotoren
kann die Sonotrode 01 rotatorisch um die Längsachse 03 drehend
angetrieben werden. Dadurch wird es möglich, dass die Sonotrode 01 auf
einem unterhalb der Ultraschallschweißvorrichtung 11 durchlaufenden
bahnförmigen
Material 14 abwälzt, wobei
die Rotationsgeschwindigkeit der Sonotrode 01 auf die Bahngeschwindigkeit
des bahnförmigen Werkstücks 14 derart
abgestimmt ist, dass während des
Kontakts zwischen den Längsschwingern 05 und dem
Werkstück 14 kein
Schlupf auftritt. Ist das Werkstück 14 beispielsweise
aus mehreren Lagen eines Vliesstoffes hergestellt, kann beim Abwälzen der
Sonotrode 01 auf dem Werkstück 14 durch jeden
einzelnen Längsschwinger 05 ein
Befestigungspunkt hergestellt werden, der die verschiedenen Lagen
der Werkstücks 14 miteinander
verbindet.
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In 5 ist
eine zweite Ausführungsform 15 einer
erfindungsgemäßen Sonotrode
perspektivisch dargestellt. Der Aufbau des Querschwingers 16 und der
verschiedenen Längsschwinger 17 entspricht
der Gestaltung des Querschwingers 02 und der Längsschwinger 05.
Im Gegensatz zur Sonotrode 01 sind die Längsschwinger 17 der
verschiedenen Längsschwin gergruppen 18, 19 und 20 gegeneinander
versetzt, so dass im Ergebnis keiner der 18 verschiedenen Längsschwinger 17 mit
einem anderen Längsschwinger 17 fluchtet.
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Wie aus der in 6 dargestellten zweiten Ausführungsform
21 einer Ultraschallschweißvorrichtung
erkennbar ist, hat der Versatz zwischen den verschiedenen Längsschwingern 17 an
der Sonotrode 15 den Vorteil, dass bei der Abwälzbewegung
der Sonotrode 15 auf dem Werkstück 14 jeweils immer
nur ein Längsschwinger 17 gleichzeitig
mit dem Werkstück 14 in
Kontakt kommt, so dass die Befestigungspunkte am Werkstück 15 auch
in Längsrichtung
sehr fein verteilt sind.