DE3146585A1 - Vorrichtung zum ultraschallschweissen - Google Patents

Vorrichtung zum ultraschallschweissen

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DE3146585A1
DE3146585A1 DE19813146585 DE3146585A DE3146585A1 DE 3146585 A1 DE3146585 A1 DE 3146585A1 DE 19813146585 DE19813146585 DE 19813146585 DE 3146585 A DE3146585 A DE 3146585A DE 3146585 A1 DE3146585 A1 DE 3146585A1
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DE
Germany
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sonotrode
anvil
pressure receiving
pressure
welded
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Withdrawn
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DE19813146585
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English (en)
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Klaus Dipl.-Ing. 7343 Kuchen Esser
Adam 7345 Deggingen Schneider
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Michael Hoerauf Maschinenfabrik GmbH and Co KG
Original Assignee
Michael Hoerauf Maschinenfabrik GmbH and Co KG
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Description

  • Vorrichtung zum Ultraschallschweißen
  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ultraschallschweißen von dünnem schichtförmigem Material mit einer Sonotrode und einem dieser gegenüberliegend angeordneten Amboß, essen Druckaufnahmeteil entgegen der Anpreßkraft der Sonotrode federnd abyestützt ist.
  • Es ist bekannt (EP-OS oo 07 558), schichtförmiges Material wie beispielsweise mit schweißbarem Kunststoff beschichtetes Papier mittels Ultraschallschwingungen zu verschweißen. Die miteinander zu verbindenden Materialien werden dabei zwischen einer Sonotrode als Ultraschallgeber und einem Amboß als Gegenlager eingespannt.
  • Bei der Erwärmung mit Hilfe von Ultraschall wird die Wärme nicht von außen zugeführt, sondern im Innern des Materials erzeugt.
  • Zur Aufnahme des benötigten verhältnismäßig hohen Au fnahm'#druckes zwischen der Sonotrode und dem Amboß ist bei der bekannten Vorrichtung ein in Richtung der Schwingungen starrer Amboß vorgesehen.
  • Diese Anordnung hat sich für solche Fälle bestens bewährt, bei denen die zu verschweißenden Materialien verhältnismäßig dick waren. In solchen Fällen kann das zu verschweißende Material einerseits den Schwingungen der Sonotrode nachgeben, während es andererseits trotz seiner Nachgiebigkeit in sich so formstabil ist, daß die Schwingungen vollständig in den zu verschweißenden Materialien abgebaut werden. Dieshat zur Folge, daß die Er-Erwärmung genau dort entsteht, wo sie benötigt wird, nämlich in den zu verschweißenden Materialien.
  • Die bekannte Ultraschallschweißvorrichtung hat sich jedoch dann nicht immer bewährt, wenn sehr dünne Materialien wie mit thernoplastischem Kunststoff beschichtete Packstoffe aus Papier oder Verbundwerkstoffe mit Materialien verschiedenster Art, ebenfalls mit thermoplastischem Kunststoff einseitig oder doppelseitig beschichtet, miteinander verschweißt werden sollten, wie dies beispielsweise bei der Herstellung von bestimmten Bechermänteln vorkommt. Diese sehr dünnen Materialien leiten die Ultraschallschwingungen praktisch unverändert auf den starren Amboß weiter. Dies führt in der Praxis dazu, daß bei der erforderlichen hohen Anpreßkraft von 1000 - 5000 N der Amboß schwingungsmäßig an die Sonotrode angekoppelt wird, was zu einer Überlastung des Ultraschall erzeugenden Systems führen kann Um diesen Nachteil zu vermeiden, müßte die Anpreßkraft der Sonotrode gegen den starren Amboß bei sehr dünnen Materialien reduziert werden, was aber wiederum dazu führt, daß keine ausreichende Wärmeentwicklung in den zu verschweißenden Materialien zustande kommt.
  • Es sind zwar auch schon Vorrichtungen der eingangs genannten Art bekannt geworden, bei denen der Amboß in sogenannter Sandwich-Bauweise ausgeführt ist, bei welcher das eigentliche Druckaufnahmeelement auf einer elastischen Zwischenschicht ruht, die ihrerseits in einem Halteelement angeordnet ist. Diese Maßnahme führt aber ebenfalls nur bedingt zu einem positiven Ergebnis. Es hat sich nämlich herausgestellt, daß bei vorgegebenen Materialeigenschaften der zu verschweißenden Werkstoffen eine sehr genaue Einstellung des Ultraschallgerätes hinsichtlich seiner Andrückkraft sowie der Schweißzeit erforderlich ist. Bereits geringe Toleranzen in der Materialeigenschaft führen zu einer unbefriedigenden Schweißung. Bei höherer #Andrückkraft erfolgt wiederum eine schwingungsmäßige Ankoppelung des Druckaufnahmeelementes an die Sonotrode, so daß auch solche Vorri chtungen Nachteile der vorher erwähnten Art aufweisen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ultraschallschweißvorrichtung zu schaffen, bei der eine zur Wärmeerzeugung im zu verschweißenden Material ausreichend große Anpreßkraft aufgebracht werden kann, ohne das Ultraschall erzeugende#System zu überlasten und bei der schließlich im iiblichen Rahmen vorkommende Veränderungen der zu verschweißenden Materialien keine Neueinstellung des Ultrascha]lschweißgerätes oder der Anpreßkraft erforderlich machen.
  • Die Erfindung besteht darin, daß die Masse und die federnde Abstützung des Druckaufnahmeteils so aufeinander abgestimmt sind, daß das Druckaufnahmeteil mit einer von der Frregerfrequenz der Sonotrode abweichenden Frequenz schwingfähig ist.
  • Dadurch wird erreicht, daß - wegen der unterschiedlichen Frequenzen - das Druckaufnahmeteil des Ambosses nicht an die Sonotrode angekoppelt wird, so daß eine Überlastung der Sonotrode vermieden wird. Trotz der sehr dünnen zu verschweißenden Materialien kann eine genügend hohe Anpreßkraft aufgebracht werden, weil das Druckaufnahmeteil schwingungsmäßig nicht an die Sonotrode ankoppelt. Außerdem wird bei dieser Anordnung erreicht, daß die Wärme im wesentlichen in den zu verschweißenden Materialien entsteht.
  • Vorteilhaft wird die Eigenfrequenz des Druc kau fnahnle te iles kleiner als die Erregerfrequenz der Sonotrode gewählt, so daß praktisch im überkritischen Bereich gearbeitet wird. Vorteilhaft wird daher für das Druckaufnahmeteil eine verhältnismäßig weich gefederte große Masse verwendet.
  • In besonderen Fällen, wenn beispielsweise noch ein zusätzlicher Streifen zum Abdecken einer offenen Schnittkante des Bechermantels angeschweißt werden soll, kann es zweckmäßig sein, den Amboß zu teilen, so daß auf diese Weise die verschiedenen Dicken der zu verschweißenden Materialien berücksichtigt sind.
  • Es kann ferner vorteilhaft sein, insbesondere bei sehr hohen Taktzeiten von 150 Schweißungen oder mehr pro Minute, die zur Verfügung stehende Leistung der Sonotrode dadurch zu erhöhen, daß eine Vorwärmung mit Heißluft zumindest der gegen Sciiunpfung unempfindlichen Materialien vorgenommen wird.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung schematisch dargestellt sind. Es zeigt: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ultraschallschweißvorrichtung zum Verschweißen von Bechermänteln aus kunststoffbeschichtetem Papier und Fig. 2 eine abgewandelte Ultraschallschweißvorrichtung nach der Erfindung ähnlich der in Fig. 1 gezeigten Ausführung.
  • Die Fig. 1 zeigt eine Ultraschallschweißvorrichtung mit einer Sonotrode 1 und einem dieser gegenüberliegend angeordneten Amboß 2. Der Amboß 2 ist in einer Nut eines Wickeldornes 3 für Bechermäntel 7 gelagert, die z.B. aus kunststoffbeschichtetem Papier hergestellt werden sollen. Der Amboß 2 weist ein Druckaufnahmeteil 4 auf, welches sich unter Zwischenschaltung einer elastischen Zwischenschicht 5, beispielsweise aus Gummi oder Vulkollan, gegen ein Halteelement 6 abstützt. Anstelle der elastischen Zwischenschicht 5 kann alternativ ein anderes federndes Mittel, z.B. ein Te1#erfederpaket, verwendet werden.
  • Die zu verschweißenden, sich überlappenden sehr dünnen Enden 8 und 9 des Bechermantels 7 sind mit thermoplastischem Kunststoff beschichtet. Für den Schweißvorgang sind eine Anpreßkraft von ca. 1000 - 5000 N sowie eine Erwärmung auf 120 -2500C erfordcwlich. Die Erwärmung erfolgt durch Umwandlung der von der Sonotrode 1 erzeugten Schwingungsenergie, wobei diese Energie durch Ultraschallschwingungen mit einer Frequenz von etwa 20 KHz aufgebracht wird und sich im wesentlichen im Bereich der sich überlappenden Enden 8 und 9 des Bechermantels 7 in Wärme umsetzt.
  • Die Sonotrode 1 ist in einer Gleitführung 11 längsverschiebbar gelagert und wird in bekannter Weise zu den Ultraschallschwingungen angeregt. Die Anpreßkraft P wird dadurch aufgebracht, daß eine auf einer Welle 14 gelagerte Kurvenscheibe 13 über eine Scheibe 17 gegen eine Feder 12 drückt und diese die Sonotrode 1 gegen den Druck einer Rückstellfeder 15 gegen den Amboß 2 drückt.
  • Die Masse des Druckaufnahmeteiles 4 des Amboß 2 ist so gewählt, und auf die Federeigenschaften der Zwischenschicht 5 abgestimmt, daß die Eigenfreque#nz des Schwingungssystems "Ambo3" von der Schwingungsfrequenz des Systems "Sonotrode" ausreichend abweicht.
  • Vorzugsweise wird die Masse des Druckaufnahmeteiles 4 sehr groß und die Federkonstante der Zwischenschicht 5 klein gewählt.
  • Durch diese Konstruktion wird erreicht, daß die Sonotrode 1 zwar etwas gedämpft wird, aber dennoch weitgehend ungehindert schwingen kann. Der Amboß 2 schwingt hierbei mit einer anderen Schwingungszahl, was dazu führt, daß die von der Sonotrode 1 aufgebrachte Schwingungsenergie in den sich überlappenden Enden 8 und 9 des Bechermantels 7 in Wärme umgewandelt wird. Wäre die Masse des Druckaufnahmeteils 4 zu klein, dann würde diese Masse mit der Sonotrode 1 schwingen, die Schwingungsfrequenz würde niedriger, die Schweißung schlechter und die Wärmeentwicklung in den Bereich der elastischen Zwischenschicht 5 verlagert.
  • Die Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt einer Einrichtung ähnlich Fig. 1 mit der Abweichung, daß für den Amboß 2 eine geteilte Ausführung verwendet wurde. Man erkennt, daß die Sonotrode 1 mit einer Anpreßkraft P die zu verschweißenden, sich überlappenden Enden 8 und 9 des Bechermantels gegen den Amboß 2 drückt.
  • Zur Abdichtung der offenen Schnittkante des Mantelendes 9 ist ein schmaler Streifen 16 vorgesehen, der in diesem Bereich das zu verschweißende Material noch verdickt. Um diese Dicken-unterschiede atlszugleichen, ist das Druckaufnahmeelement des Ambosses 2 aus zwei Einzelteilen 4 und 4a zusammengesetzt, die ihrerseits jevseils eine eigene elastische Aufnahme in den Teilen 5 bzw. 5a finden. Der Amboß 2 stützt sich insgesamt gegen ein Halteelement 6 ab, welches wiederum in einer Nut des Wickeldornes 3 gelagert ist.
  • In Fig. 2 ist ferner schematisch eine Vorwärmeinrichtung 18 dargestellt, die beispielsweise ein Kompressor sein kann, der Heißluft gemäß Pfeilrichtung gegen den Bechermantel 7 bläst.
  • Bei der Vorrichtung der Fig. 2 wird der Bechermantel 7 im Uhrzcigersinn gedreht, so daß sich die überlappenden Enden 8 und 9 zunächst ini Bereich der Vorwärmeinrichtung 18 befinden und dann in nicht näher dargestellter Weise zur Sonotrode 1 weiter transportiert werden. Das kann dadurch geschehen, daß sich der Wickeldorn 3 um seine Achse dreht. Mit Hilfe der Vorwärmeinrichtung 18 können die Taktzeiten weiter reduziert und die Leistung der Sonotrode 1 bzw. der gesamten Ultraschallschweißvorrichtung weiter gesteigert werden.
  • Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, einerseits eine genügend große Anpreßkraft P aufzubringen, andererseits die Erwärmung im Bereich der sich überlappenden Bechermantelenden 8 und 9 zu erzeugen. Die Einstellung der Sonotrode 1 und der übrigen Parameter kann weitgehend unabhängig von den zu der schweißenden Materialien gewählt werden.

Claims (10)

  1. Ansprüche 1. Vorrichtung zum Ultraschallschweißen von dünnem schichtförmigem Material mit einer Sonotrode und einem dieser gegenüberliegend angeordneten Amboß, dessen Xruckaufnahmeteil entgegen der Anpreßkraft der Sonotrode federnd abgestützt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse und die federnde Abstützung des Druckaufnahmeteiles (4) so aufeinander abgestimmt sind, daß das Druckaufnahmeteil (4) mit einer von der Erregerfrequenz der Sonotrode (1) abweichenden Frequenz schwingfähig ist.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenfrequenz des Druckaufnahmeteiles (4) kleiner ist als die Erregerfrequenz der Sonotrode (1).
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckaufnahmeteil (4) eine weich gefederte große Masse aufweist.
  4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als federnde Abstützung eine Unterlage (5) aus elastischem Material dient.
  5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichllet, daß der Amboß (2), in Längsrichtung des zu verschweißenden Materials (8, 9, 16) gesehen, wenigstens zwei Druckaufnahmeteile (4, 4a) enthält.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckaufnahmeteile (4, 4a) eines Ambosses (2) unterschiedliche Abstände zu der Sonotrode (1) aufweisen.
  7. 7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Amboß (2) in einer Nut eines Wickeldornes (3) für Bechermäntel (7) gelagert ist.
  8. 8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch qekennzeichnet, daß die Anpreßkraft (P) der Sono -trode (1) über eine Kurvenscheibe (13) und eine Feder (12) aufbringbar ist.
  9. 9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sonotrode (1), entgegen der Transportrichtung des zu verschweißenden Materials (8, 9) gesehen, eine Vorwärmeinrichtung (18) zugeordnet ist.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwärmeinrichtung (18) eine Heißluft erzeugende Einrichtung ist.
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